一种碳化硅与硅器件混合型三电平有源中点钳位零电压转换软开关变流器

该文提出一种碳化硅与硅（SiC&Si）器件混合型三电平有源中点钳位零电压转换（3L-ANPC ZVT）变流器拓扑。该拓扑中每相主电路采用两个SiC MOSFET器件工作在高频,其余主电路开关为Si器件工作在低频,通过辅助电路使得SiC器件工作在ZVT软开关条件下,进一步降低SiC MOSFET高频开关损耗和开关应力。拓扑中辅助电路开关采用Si器件且仅在主器件换相过程工作,具有额定电流小且无开关损耗的特点。该文首先介绍该软开关变流器的电路拓扑结构和工作原理,并给出辅助电路参数的优化设计过程。然后基于双脉冲测试数据对变流器进行损耗建模,分析对比不同开关频率下硬开关和软开关有源中点钳位三电平变流器的损耗分布和效率变化,揭示所提出的软开关变流器拓扑在高开关频率下可以有效改善变流器的效率。最后通过搭建的单相变流器实验平台验证上述分析结论的正确性。     

SiC MOSFET在航空静止变流器中的应用研究

航空静止变流器实现机载直流电到交流电的转换,对功率密度、效率、环境适应性、可靠性和电气性能等有较高的要求。碳化硅(SiC)半导体器件的开关速度快、高温特性好,在航空静止变流器中有很好的应用前景,但目前关于宽禁带器件在航空静止变流器中应用的研究比较少。首先结合现有的典型航空静止变流器电路拓扑分析了SiC MOSFET应用的关键问题;然后针对航空静止变流器逆变级的两级级联半桥逆变器,对比分析了应用SiC MOSFET与Si MOSFET的损耗大小,分析结果表明在现采用的开关频率下,即使现有SiC MOSFET导通损耗较大,但总损耗仍较小;且开关频率越高,SiC MOSFET的效率优势越明显,最后为适应高开关频率SiC MOSFET逆变器的需要设计了一种适应高开关频率和宽占空比变化信号的SiC MOSFET驱动电路,搭建了1台500 VA、115 V/400 Hz两级级联半桥逆变器实验样机,并验证了应用SiC MOSFET的航空静止变流器逆变级的可行性。     

1200V碳化硅MOSFET与硅IGBT器件特性对比性研究

搭建了输出特性测试电路、漏电流测试电路、双脉冲测试电路和Buck电路,对1 200 V SiC MOSFET和Si IGBT的输出特性、漏电流、开关特性和器件损耗进行了对比研究,分析了SiC MOSFET的主要优缺点。分析结果表明,SiC MOSFET在高温条件下依然拥有稳定的阻断能力;在同样的工作条件下,SiC MOSFET损耗更小,适合在高频率、大功率场合下使用;SiC MOSFET的跨导低,导通电阻大,所以门极驱动电压需要比较大的摆幅(-5/+20 V);由于开关速度很快,SiC MOSFET对线路杂散参数更加敏感。     

基于PLECS的车载SiC单相逆变器损耗研究

近年来,碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在电力电子领域的应用日益成熟。由于其具有损耗低、导通电阻小、开关速度快、频率高等优点,因此,当其应用在车载单相逆变器中时,可以通过提高开关频率来有效地减小磁性元件的体积,从而提高逆变器的功率密度,减轻重量。但随着开关频率的提高,逆变器的开关损耗也随之增加,因此SiC MOSFET单相逆变器的损耗分析在设计过程中至关重要。对车载SiC单相逆变器在单极性正弦脉宽调制(SPWM)下的开关器件损耗进行详细分析;在PLECS仿真软件中搭建SiC MOSFET单相逆变器的电路模型和器件损耗模型;最后搭建SiC MOSFET单相逆变器的实验平台,测试开关器件的损耗,验证损耗理论计算的正确性及损耗模型的有效性。     

三相四线制软开关SiC逆变器软开关工况分析

逆变电源的开关频率上限受到功率器件的动态损耗限制,导致较大的输出滤波元件的体积。零电压开关正弦脉宽调制(ZVS-SPWM)三相四线制逆变器电路只需引入1个辅助开关和2个较小的无源元件,就可以实现电路中所有开关器件的零电压开关。重点分析了SiC MOSFET寄生电容对零电压开关实现的影响,并在此基础上探讨了等效寄生电容值的提取方法,修正了零电压开关条件和功率器件电流、电压应力的计算值。最后在10 kW SiC MOSFET三相四线制零电压开关逆变器实验平台进行了验证。     

基于源极电感检测法的SiC MOSFET短路保护电路研究

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)凭借高工作温度、高开关频率和低导通损耗等优点,被广泛应用于高压、高温和高工作频率场合,但SiC MOSFET的短路耐受时间较小,仅为2～5μs,这对SiC MOSFET的短路保护电路提出了更高的要求.首先总结分析SiC MOSFET短路故障特性,然后基于源极电感检测法设计一款SiC MOSFET短路保护电路并简要分析其工作原理,最后搭建实验平台进行实验验证.实验结果表明,所设计的短路保护电路结构简单,当SiC MOSFET发生硬开关短路故障或负载短路故障时,保护电路能够在故障发生的1μs内关断器件,保证器件的安全运行.     

一种SiC MOSFET串扰抑制的谐振辅助驱动电路

随着SiC MOSFET开关频率的不断增加,逆变器桥臂串扰现象越发严重并易造成桥臂直通短路,这限制了SiC MOSFET开关频率的进一步提高。该文提出一种SiC MOSFET串扰抑制的谐振辅助驱动电路,通过在栅源之间添加电容电感辅助谐振电路,能够在SiC MOSFET关断期间完成负压到零压的变化,同时不需要使用有源器件。当SiC MOSFET开通时,辅助电路让栅极电压从0.7V上升而非负压上升,相较于传统驱动电路,开关速度更快、开关损耗更低;而且同时具备抑制正向串扰和反向串扰的优点。该文分析电路的参数设置,并通过仿真和实验验证了该电路相对于传统驱动电路的优势。     

DC/DC变换电路中开关器件损耗计算及仿真

根据开关器件的物理模型,分析并计算了开关器件在DC/DC变换电路中的功率损耗。针对工程应用中开关器件损耗计算的实时性和精确性要求,利用功率开关器件手册提供的产品参数,分别计算了逆变部分的SiC MOSFET模块和整流部分的整流二极管的器件损耗。将计算值与PLECS仿真结果进行对比,结果表明该计算方法可得到较为准确的计算损耗,进一步提高了工程应用中损耗计算的准确性。     

基于SiC器件的三电平ANPC牵引变流器损耗分析

在大功率牵引变流器中,采用具有开关速度快、耐高温、开关损耗低等诸多优势的SiC器件替代Si器件,并构建基于SiC器件的三电平ANPC变换器,可以大大减轻变流器的散热系统负担,有助于实现牵引系统轻量化,提升变流器的功率密度和整体效率。对4种三电平ANPC变换器拓扑（2种SiC+Si的混合型三电平ANPC拓扑、全SiC型三电平ANPC拓扑和全Si型三电平ANPC拓扑）及适用于不同拓扑结构的调制策略进行了详细的分析。结合4种拓扑工作于各自最优调制策略下的换流过程,对不同拓扑的功率损耗和热平衡特性等方面通过仿真验证进行了定量分析比较。结果表明,全SiC型三电平ANPC拓扑损耗分布最均衡,工作效率最高;2-SiC混合型三电平ANPC拓扑在保证性能的基础上成本更低,可以作为采用SiC器件的牵引变流器的一种较高性价比的选择。     

SiC MOSFET驱动电路设计与实验分析北大核心

为使SiC MOSFET在应用中安全可靠的工作,通过对SiC MOSFET开关特性的分析,设计了一种SiC MOSFET驱动电路。该电路具有结构简单、实用性强、速度快、输出功率大等特点。另外,在高功率、高频等特殊环境下工作,为了提高SiC MOSFET的可靠性,还对器件过载保护电路进行研究。通过Pspice软件仿真实验,发现过载保护电路可以有效地保护器件不受损坏。最后,搭建双脉冲实验平台,验证驱动电路的基本功能并测试采用不同栅极电阻时对SiC MOSFET开关特性的影响。实验结果表明:该电路具有良好的驱动能力。     

10-kV SiC MOSFET-Based Boost Converter

10-kV silicon carbide (SiC) MOSFETs are currently being developed by a number of organizations in the U.S. with prospective applications in high-voltage and high-frequency power-electronic systems. The aim of this paper is to demonstrate the high-frequency and high-temperature capability of 10-kV SiC MOSFETs in the application of a dc/dc boost converter. In this study, 10-kV SiC MOSFET and junction barrier Schottky (JBS) diode were characterized and modeled in SPICE. Following this, a dc/dc boost converter based on a 10-kV 10-A MOSFET and a 10-kV 5-A JBS diode was designed and tested under continuous operation for frequencies up to 25 kHz. The boost converter had an output voltage of 4 kV, an output power of 4 kW, and operated with a junction temperature of 174 $^{circ}hbox{C}$ for the SiC MOSFET. The fast-switching speed, low losses, and high-temperature operation capability of 10-kV SiC MOSFETs demonstrated in the dc/dc boost converter make them attractive for high-frequency and high-voltage power-conversion applications.      

SiC MOSFET驱动电路及实验分析

根据SiC MOSFET开关特性,设计了一种SiC MOSFET的驱动电路,在此基础上采用双脉冲测试方法,对SiC MOSFET的开关时间、开关损耗等进行了实验测量,分析了不同驱动电阻对SiC MOSFET开关时间、开关损耗等的影响。     

Converter Using SiC‐MOSFET for Ultra‐High‐Speed Elevator

In this study, we developed a converter based on SiC (Silicon Carbide)‐MOSFET for use in ultra‐high‐speed elevators, with a reduced volume of 15% compared with the conventional converter. We succeeded in reducing the power loss of the converter unit by 56% compared to the conventional converter in one round trip under high temperature condition. Recently, because of their useful characteristics, wide‐gap semiconductors, such as SiC and GaN, have gained considerable attention for use in various applications in the power electronics systems. Therefore, we studied the use of a converter in elevator systems based on SiC‐MOSFET. We used a 1200 V/800 A SiC‐MOSFET module for the converter unit. We developed a prototype of the converter unit and the control panel by applying for the SiC‐MOSFET module for an ultra‐high‐speed elevator. As a result, the setting area of the control panel (main part) becomes less than 43% of the conventional panel. We tried to demonstrate the working of a 68‐kW elevator by applying the prototype control panel. Because of the characteristic of the switching loss of SiC‐MOSFET, the power loss of the converter unit has almost no dependence on temperature. An energy‐saving effect of approximately 17% was achieved in the total elevator system in one round trip under high‐temperature condition.     

碳化硅器件的短路保护：设计准则和电路

为了保障碳化硅(silicon carbide,Si C)在发生短路故障时可安全可靠的关断,需在掌握其短路特性基本规律的前提下,针对Si C短路耐受时间较短、短路下器件漏源极电压拐点不明显等特征,展开去饱和保护电路(desaturation fault protection,DESAT)电路中关键参数的研究,并制定其工程化设计的参考标准。在此基础上,文中进一步提出基于氮化镓(galliumnitride,GaN)的高速、低传输延时的DESAT短路保护电路,短路保护电路的驱动动作延时仅为常规基于硅器件DESAT电路的23.2%。所提出的氮化镓DESAT电路为SiC MOSFET短路保护电路的更优越的实现方案。     

适用于电动汽车的SiC MOSFET PSpice仿真模型研究

为了基于PSpice电路对电动汽车DC/DC变换器中的碳化硅(SiC)MOSFET的工作特性进行实时准确地仿真,针对SiC MOSFET提出了一种新型的电压控制电流源型VCCST(voltage-controlled current source type)PSpice仿真模型。首先,为了获得SiC MOSFET准确的静态特性建立了电压控制电流源作为SiC MOSFET的内核,以描述SiC MOSFET的转移特性和输出特性;然后,为了获得SiC MOSFET准确的动态特性,建立了基于电压控制电流源与恒定电容的栅漏电容(CGD)子电路模型,所提SiC MOSFET VCCST PSpice模型在简化参数提取方法的同时,能够满足模型准确性的要求;最后,建立的SiC MOSFET VCCST PSpice模型应用于Boost变换器进行仿真和实验,并对SiC MOSFET的特性进行测试。测试结果验证了所提SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型的准确性和实时性,从而为SiC MOSFET在电动汽车DC/DC变换器中的设计和应用提供了便利。     

Hybrid MOSFET/driver for ultra-fast switching

The ultra-fast switching of power MOSFETs, in about 1 ns, is very challenging. This is largely due to the parasitic inductance that is intrinsic to commercial packages used for both MOSFETs and drivers. Parasitic gate and source inductance not only limit the voltage rise time on the MOSFET internal gate structure but can also cause the gate voltage to oscillate. This paper describes a hybrid approach that substantially reduces the parasitic inductance between the driver and MOSFET gate, as well as between the MOSFET source and its external connection. A flip-chip assembly is used to directly attach a die-form power MOSFET and driver on a PCB. The parasitic inductances are significantly reduced by eliminating bond wires and minimizing lead length. The experimental results demonstrate ultra-fast switching of the power MOSFET with excellent control of the gate-source voltage.     

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件及其应用研究

综述了Si IGBT/SiC MOSFET混合器件在门极优化控制策略、集成驱动设计、热电耦合损耗模型、芯片尺寸配比优化和混合功率模块研制等方面的最新研究成果与进展。Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结合了SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性和Si IGBT的大载流能力和低成本优势,已有文献的最新研究和实验结果验证了该类器件的优异特性,表明其对高性能电力电子器件实现更高电流容量、更高开关频率和较低成本具有重要意义,是高性能变换器应用中非常有潜力的功率器件类型。     

基于SiC MOSFET的单相三电平变换器设计

围绕高开关频率小功率单相交直交变换器效率提升问题,设计了一种基于SiC MOSFET的高效率单相三电平三桥臂变换器。该变换器主要包括分别用于整流器和逆变器2个T型三电平桥臂和一个公共桥臂,其多电平拓扑可优化谐波性能,减少开关损耗。分析了变换器运行方式,并设计了包含直流电压控制的级联电压电流控制器。同时,因T型三电平桥臂的外开关承担了整个直流侧电压,采用SiC MOSFET器件可大大降低开关损耗。基于导通损耗和开关损耗分析,对比了不同开关频率下的损耗,优选了变换器的开关频率。搭建了3 kW单相三电平三桥臂变换器样机并进行了实验测试,实验结果验证了新型变换器在保证较好的输出电能质量的同时,其效率可达到99%。     

应用于无线充电系统的SiC MOSFET关断特性分析

SiC MOSFET的关断特性是无线充电系统传输效率和电应力研究的主要内容之一,对系统的安全、高效运行具有重要意义.首先,针对无线充电系统中考虑高次谐波的关断瞬态电流进行建模,并基于数据手册建立SiC MOSFET的关断能量损耗模型;其次,通过计算和仿真验证关断瞬态电流求解的正确性,探讨了关断瞬态电流、关断能量损耗与直流母线电压和输出功率的关系;最后,搭建1 kW LCC-S补偿的基于SiC MOSFET的无线充电系统进行实验验证,结果证明在全输出功率范围内,应用于无线充电系统的SiC MOSFET具有恒关断电流和恒关断损耗的特性.