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Si和SiC器件的逆变器系统性能对比研究

在电气传动和可再生能源等设备中,逆变器是核心部分,然而传统逆变器系统多采用Si器件,存在功率损耗高、效率低等不足。为解决此问题,将Si C拓展至逆变器中,构建了基于Si和Si C的两电平、三电平逆变器系统,并对此系统分别在功率损耗、效率、器件结温、运行费用和预估投资收益等方面进行了对比研究。结果表明,在功率损耗、效率、结温方面,Si C逆变器系统明显优于Si逆变器系统;Si C逆变器系统虽初始投资较高,但长远的运行费用和收益均优于Si逆变器系统。     

SiC器件在光伏逆变器中的应用与挑战

高效、高功率密度和高可靠的性能指标一直是新能源变换器的发展目标。SiC器件可以突破传统Si器件的性能极限,是下一代高性能新能源变换器的基础。针对光伏发电系统,梳理了光伏逆变器的技术现状,总结了新能源变换器对效率、功率密度、可靠性和成本的持续技术需求,归纳了SiC器件在光伏逆变器中的技术优势和应用现状。最后,结合实验结果,从开关振荡、串扰、短路耐受能力、驱动、封装、大功率模块、热交互材料等方面,提出了SiC光伏逆变器的若干关键技术挑战,为下一代光伏逆变器的开发提供了若干研究方向。     

高频SiC单相逆变器调制策略研究

逆变器高频运行时,开关损耗和死区影响问题更加突出。如何减小高频开关损耗,同时消除死区的影响是逆变器高频运行需要解决的关键问题。以高频SiC单相逆变器为研究对象,针对传统双极性调制存在的问题,设计了一种改进调制策略,利用SiC开关器件反并联二极管的续流特性,在半个工频周期内将2个开关一直处于关闭状态,不仅减小了高频开关损耗,而且避免了桥臂直通的风险,无需加入死区,消除了死区引起的负面影响,最后搭建了高频SiC逆变器进行了实验研究,结果验证了设计方案的有效性。     

面向Si/SiC混合器件逆变器全寿命周期安全工作区的多开关模式主动切换策略

基于硅基绝缘栅双极型晶体管(Si IGBT)和碳化硅金属氧化物半导体场效应管(SiC MOSFET)的Si IGBT/SiC MOSFET混合器件采用多开关模式切换策略可使变换器具备应对复杂工况的能力,然而现有切换策略并未考虑器件疲劳老化对模式切换阈值电流的影响,在混合器件老化进程后期极有可能造成器件热失效,进而严重威胁变换器的可靠运行。基于此,提出了一种面向Si/SiC混合器件逆变器全寿命周期安全工作区的多开关模式主动切换策略。基于器件疲劳老化对逆变器最大安全运行电流的影响规律,设计了考虑老化进程的逆变器安全工作区刻画流程。根据安全工作区刻画结果,提出了适用于混合器件全寿命周期的多开关模式主动切换策略。实验结果表明,该策略能够针对混合器件不同老化程度来动态调整开关模式切换阈值电流,从而在器件全寿命周期内保障逆变器的运行可靠性。     

应用SiC混合模块的牵引逆变器

研发了一种结势垒肖特基(JBS)二极管,在3kV电压下,具有低正向电压和低漏电流特性。用Si-IGBTs和SiC-JBS二极管搭建了标准3kV/200A混合模块。通过采用混合模块和高速驱动电路,我们试图降低反向恢复损耗及开通功率损耗。同时,我们估算变流器和逆变器的总能量损耗减小到原来的32.4%。另外,混合模块能成功地驱动列车的感应电动机。     

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。     

SiC功率器件在Buck电路中的应用研究

近年来,一种新型半导体器件碳化硅(SiC)以其优良的性能逐渐受到人们的关注。介绍了SiC的材料特性及基于SiC的功率开关器件的特性,并对其在Buck电路中的应用进行了探索。主要对SiC器件的特性参数进行分析,并对Buck电路的主功率部分及控制驱动部分进行了设计。通过设计Buck电路并进行仿真实验,验证了理论设计的正确性。实验结果表明,SiC MOSFET器件在高频大电压的应用场合相对于硅(Si)MOSFET器件有着开关损耗低,效率高等优点。     

混合调制单相Cuk集成式升压逆变器研究

为满足低输入电压逆变场合的要求,提出了一种混合调制单相Cuk集成式升压逆变器。该逆变器通过复用功率器件,将Cuk变换器和传统全桥逆变器集成在一起,并通过混合调制同时实现逆变器直流电压泵升和输出电压正弦化。相对于其他单级式升压逆变器,其在拓扑简洁度、控制难易度和电压泵升能力等方面均呈现一定优势。介绍了混合调制策略的工作原理,给出了集成式升压逆变器的拓扑构成;详细分析了该逆变器的工作原理,并推导了输入、输出电压传输比;通过一台500 W/20 kHz的原理样机仿真验证了该集成式升压逆变器的可行性及理论分析的可行性。     

混合级联逆变器在STATCOM中的应用研究

随着多电平逆变器在电力系统无功功率补偿领域的广泛应用,为了对目前应用的静止同步补偿器（STATCOM）进行改进,提出了将2H桥与3H桥混合级联逆变器作为STATCOM的拓扑,运用EPWM进行调制的解决方案。该方案可以省去庞大笨重的变压器,减小功耗,降低输出谐波含量。文章对基于混合级联逆变器的STATCOM的工作原理进行了分析,在完成理论研究的基础上,利用电力电子仿真软件Simplorer进行了仿真研究,仿真结果表明,混合级联STATCOM具有输出波形质量好、动态响应速度快的优点。     

混合级联逆变器在STATCOM中的应用研究

随着多电平逆变器在电力系统无功功率补偿领域的广泛应用,为了对目前应用的静止同步补偿器(STATCOM)进行改进,提出了将2H桥与3H桥混合级联逆变器作为STATCOM的拓扑,运用EPWM进行调制的解决方案.该方案可以省去庞大笨重的变压器,减小功耗,降低榆出谐波含量.文章对基于混合级联逆变器的STATCOM的工作原理进行了分析,在完成理论研究的基础上,利用电力电子仿真软件Simplorer进行了仿真研究,仿真结果表明,混合级联STATCOM具有输出波形质量好,动态响应速度快的优点.     

高压SiC器件在FREEDM系统中的应用

碳化硅SiC(silicon carbide)是目前最为成熟的宽禁带半导体材料之一,在高压、高温、高频等领域,碳化硅器件的研究和应用已成为当前的研究热点。针对碳化硅器件目前的生产使用状况,简述了与碳化硅主要生产商CREE紧密合作的FREEDM中心的研究情况,重点分析了高压SiC MOSFET,IGBT,ETO,JFET在SST(Solid State Transformer)和FID(Fault Isolation Device)中的应用。针对各类器件本身的特性,FREEDM中心有针对性的选择了相关应用领域,并开发了多代SST和FID的拓扑,许多重要的研究成果引领了全球高压SiC器件的研究趋势。     

SiC和Si混合PiN/Schottky二极管的模拟和设计

介绍一种具有肖特基正向持性和PN结反向特性的新型整流器－混合PiN/Schottky二级管（MPS0，它速度快，击穿电压高，漏电流小，正向压降低，适合功率系统使用。理论分析了该器件的正向导通，反向阻断和击穿特性。主要考虑4H SiC，模拟和优化设计了器件的外延层掺杂浓度和厚,肖特基接触和PN结网格宽度，PN结深度和掺杂浓度等主要的结构参数。     

一种新型控制策略在单相逆变器中的应用

将PID与重复控制相结合的控制策略及新型数字信号处理器(DSP)芯片TMS320F2812用于单相逆变器.重点分析了系统构成、软件算法设计和稳态分析.实验表明,采用新型DSP芯片能简化硬件电路;采用PID与重复控制相结合的策略既能使逆变器输出高质量的正弦波,又能获得较好的动态性能.     

基于SiC功率器件的单相APF开关损耗分析及应用技术研究

提出一种应用于单相有源滤波器(active power filter,APF)的SiC功率器件的开关损耗模型。该模型考虑了封装和印制电路板(printed circuit board,PCB)的寄生参数与器件结电容的非线性。详细阐述四种单相APF工作状态下的建模原理,并给出了各工作状态下各时间段的开关过程分析与损耗计算方程。基于影响APF谐波补偿性能的关键因素的分析,结合APF的工作特点,提出SiC器件高开关频率兼容驱动方式与封装及电路布局优化方案。搭建基于单相APF的SiC功率器件测试实验样机,在不同电压点和电流点下进行测试,并将测试结果与估算结果进行比较。比较结果高度吻合,功率损耗误差在10%以内,验证了提出的开关损耗模型的准确性和有效性。     

单相UPS逆变器的混合多谐振控制技术研究

多谐振控制(MRSC)能够精确地跟踪或抑制正弦信号,在电力变换中应用十分广泛。针对电力电子变换器提出了一种通用混合MRSC方案的通用设计方法。该混合MRSC方案将多谐振控制器与状态反馈控制器相结合,从而兼具控制准确、响应快速和鲁棒性好等优良的控制性能。针对混合MRSC方案,还提出了一套多谐振控制器的增益稳定判据和增益整定规则,可大大简化多谐振控制器的分析与优化设计。最后作为应用实例,将混合MRSC方案用于3 kVA单相不间断电源(UPS)逆变器。实验结果表明,采用所提出的混合MRSC方案及其设计方法,逆变器能够快、准、稳地输出所需高质量输出电压,验证了其有效性。     

SiC器件对并网逆变器EMC特性和效率的影响

近年来,宽禁带器件SiC MOSFET在并网逆变器邻域已经取得了越来越多的关注。首先,讨论了SiCMOSFET三相并网逆变器EMC模型的建立,并通过分析噪声源的模型进行等效替代,结合逆变器损耗对于噪声传导路径的阻尼作用,得到了SiC逆变器的EMC仿真模型和理论模型;然后,通过逆变器平台实验的结果与仿真模型和理论模型的结果进行了对比,验证了模型的可行性;最后,通过实验比较了沟道栅SiC逆变器、平面栅SiC逆变器和Si IGBT逆变器3者在相同开关频率下的传导干扰和不同开关频率下的满载效率。     

混合坐标系下单相LCL并网逆变器控制策略研究

单相LCL型并网逆变器被广泛应用于光伏发电等领域。由于存在谐振问题,电容电流反馈有源阻尼是抑制LCL型滤波器谐振峰的有效方法,在此基础上,此处提出混合坐标系下的并网电流比例积分(PI)控制,以实现并网电流的无差跟踪。首先构造并网电流的正交分量,并在旋转坐标系下用PI控制器构建并网电流控制环路。其次,在静止坐标系下建立并网电流控制环路的数学模型,详细分析了电容电流反馈有源阻尼系数和PI控制器参数的设计方法,并给出了控制系统的性能分析。最后,通过5 kW的单相LCL型逆变器样机平台,进行了实验验证,实验结果证明了所提控制策略的有效性。     

Si和SiC功率器件结温提取技术现状及展望

对功率半导体器件结温的在线准确提取是实现器件智能控制、性能评估、主动热管理、健康状态评估及优化器件寿命等的重要基础。本文梳理了现有基于温敏参数的Si(硅)和SiC(碳化硅)功率器件结温提取方法的机理和主要特点,从灵敏度、测量频率、侵入性和线性度等指标对已有方法进行了性能评估。在此基础上,结合SiC JFET(结型场效应晶体管)器件的温度特性,提出一种新颖的基于栅-源极间寄生PN结击穿电压的SiC JFET器件非侵入性在线结温提取方法,仿真结果证明了所提出方法的正确性和有效性。     

开关频率500kHz的软开关SiC单相逆变器

高频化是提升并网逆变器功率密度的有效途径。SiC MOSFET适用于高频化的应用场合,同时采用软开关技术可维持高转换效率。设计了一台500 kJz零电压开关(ZVS)SiC单相并网逆变器。重点介绍了谐振参数的选取、谐振电感与滤波电感的设计,并在1.5 kW实验模型上进行了验证。实验证明在开关频率为500 kHz时,依靠SiC MOSFET自身的结电容可完成谐振,实现ZVS开通。500 kHz下的滤波电感比100 kHz下的滤波电感体积减小约4/5,满载效率为97.9%。