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 MOSFET磁集成开关电感软开关逆变器研究

采用宽禁带半导体器件和软开关技术可显著改善逆变器效率和功率密度。提出采用碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的新型磁集成软开关逆变拓扑。重点研究SiC MOSFET零电压开关(ZVS)关断损耗,通过深入探讨SiC MOSFET寄生电容对ZVS实现的影响及等效寄生电容的提取方法,并构建开关电感磁集成动态损耗模型,优化SiC MOSFETZVS的条件,修正器件电压、电流应力公式,获得了更高效的电路设计参数。最后通过一台20 kW SiC MOSFET磁集成开关电感软开关逆变器实验样机证明了理论分析的正确性。     

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。     

一种用于逆变器的SiC MOSFET自适应电流源驱动

在传统电压型SiC MOSFET驱动电路中,驱动损耗、功率管开关损耗随着主电路开关频率、电压等级的提高而增大,驱动参数固定条件下,损耗不能得到优化。针对此问题,提出了一种应用于DC/AC逆变器的SiC MOSFET自适应电流源型驱动(CSD)电路,驱动电流可随负载电流自适应变化。以一个半桥逆变器为例,阐述了控制原理,详细分析了恒流驱动下功率管的开关特性,根据SiC MOSFET的驱动要求,以一个开关周期内损耗最小为原则设计了自适电流源驱动电路。最后通过实验验证了所提方法的有效性。     

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。     

SiC JMOS和SiC DMOS在Si/SiC混合器件单相逆变器中的应用研究

Si IGBT与SiC MOSFET并联组成的Si/SiC混合器件(HyS)因在功率变换器中提供了一种成本与性能的优化折衷而受到广泛关注。其中,SiC MOSFET特性直接影响Si/SiC混合器件的性能,对基于不同类型SiCMOSFET的Si/SiC混合器件的特性差异分析极为必要。该文对比分析基于新型集成结势垒肖特基二极管(JBS)的SiCMOSFET(SiCJMOS)的Si/SiC混合器件(HyS_J)和基于传统平面栅SiCMOSFET的传统Si/SiC混合器件(HyS_D)的特性差异。对比分析2种混合器件的导通特性与开关特性,结果表明,与HyS_D相比,HyS_J具有更低的反向导通压降,更好的反向恢复性能和更小的开通损耗。建立适用于2种混合器件单相逆变器损耗模型,对比分析2种器件在逆变器应用中的损耗差异。设计基于2种混合器件的5kW单相逆变器样机,对比应用2种混合器件的变换器损耗、效率及器件结温。实验结果表明,在轻载条件下,与HyS_D方案相比,HyS_J可以实现最大0.5%的峰值转换效率的提升。     

计及寄生电感的SiC MOSFET三相全桥损耗

忽略开关过程中寄生电感的变化对开关损耗的影响和导通过程中占空比变化对导通损耗的影响会降低三相全桥逆变器的损耗计算精度。为解决上述问题,提出了一种考虑寄生电容和寄生电感的SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)物理模型,通过曲线拟合、分段取值法和振荡法获得寄生电容和寄生电感,分析了寄生电感对开关损耗的影响,推导出在空间矢量脉宽调制(SVPWM)下的平均导通损耗公式,得到三相全桥损耗。最后,通过对比开关损耗计算结果和PSpice仿真结果,验证了寄生电感的变化对开关损耗的影响;同时在基于SiC MOSFET的永磁同步电机控制系统上进行实验,验证了基于SiC MOSFET物理模型的损耗计算方法能提高逆变器的损耗计算精度。     

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。     

基于混合ANPC逆变器的永磁电机解耦预测控制策略EI北大核心CSCD

永磁电机具有效率高、启动快、过载能力强及噪声小等优点,已被成功应用于大功率交流传动系统。为解决传统Si基变流器开关频率低造成电机转矩动态响应慢、转矩脉动大的问题,文中结合SiC器件耐高温和开关频率高的特点,将Si/SiC协同的三电平有源中点钳位型(active neutral-point-clamped,ANPC)逆变器混合拓扑引入到永磁电机驱动系统。首先研究Si/SiC混合ANPC逆变器拓扑的运行原理与换流模式,分析不同换流模式下的损耗分布规律及调制策略。结合模型预测控制技术的多目标和多约束特性,提出基于混合ANPC逆变器的永磁电机高解耦预测控制策略,以实现Si/SiC混合拓扑中Si器件的低频运行和SiC器件的高频运行。稳态和暂态实验结果证实了所提控制策略的可行性和有效性。     

基于SiC BJT典型双电源阻容驱动电路的开关过程分析及损耗最优的实现

为降低碳化硅(SiC)双极型晶体管(BJT)开关过程中的总损耗,针对SiC BJT典型的双电源阻容驱动电路,研究了考虑回路寄生参数情况下SiC BJT的详细开关过程,分析了加速电容对Si C BJT开关损耗和驱动损耗的影响,推导出了加速电容对SiC BJT开关过程各阶段持续时间的数学关系。理论分析表明,随着加速电容的增大,SiC BJT的驱动损耗成比例上升,而对开关损耗的优化并不明显。实验测试了加速电容从3. 3nF到94nF变化时SiC BJT的开关波形,并对加速电容变化时的SiC BJT的驱动损耗以及开关损耗进行了对比。实验结果表明,随着加速电容的增大,开关过程中的总损耗呈现先减小后增大的趋势,通过合理选取加速电容值,能够有效降低SiC BJT开关过程的总损耗。     

大功率光伏逆变器的损耗建模与分析

提出一种新型大功率逆变器空间矢量脉宽调制(SVPWM)开关器件和滤波电抗器的损耗建模方法,利用该方法,对大功率逆变器进行损耗、效率的预估,制作了实验样机,对比了实验样机测试的效率与理论分析的预估效率,验证了损耗模型的准确性。提出了大功率逆变器的损耗主要由开关器件损耗和滤波电抗器的损耗两部分构成,为大功率逆变器的效率优化提供了理论支撑,具有较强的实践应用意义。     

一种新型的单相高频ANPC软开关逆变器

有源中点箝位(ANPC)拓扑因损耗分布均匀,广泛应用于逆变器场合,使用SiC器件可进一步提高效率.提高开关频率可提高功率密度,但SiC器件的开关损耗显著增加.此处提出一种单相ANPC软开关逆变器,可实现主开关管的零电压开关(ZVS),降低了开关损耗,提高了效率.首先叙述了软开关电路的工作原理,接着介绍了谐振参数设计的基...     

2-SiC混合型三电平ANPC变流器损耗均衡策略

提出一种针对2-SiC混合型三电平有源中性点箝位(3L-ANPC)变流器的损耗均衡策略,通过设计新的开关状态和切换顺序,使得SiC器件承担更多的开关事件,在零电平状态时两条零电平回路同时导通,降低系统导通损耗。同时通过合理分配开关时序,实现一半Si开关管在全开关周期的零电流开关(ZCS),进一步提高变换器效率。提出器件损耗分析模型,评估所提出方法的器件损耗分布情况。最后,搭建单相ANPC逆变器实验平台,实验结果验证了该调制方法的有效性。与现有调制方法相比,所提2-SiC 3L-ANPC变流器调制方法能够实现更高的系统效率和更好的损耗均衡效果。     

基于SiC MOSFET户用光伏逆变器的效率分析

户用型光伏逆变器的发展趋势是高频化、高效率、高功率密度,近年来,SiC MOSFET在电机驱动、光伏逆变器等场合得到了广泛研究。本文将SiC MOSFET应用于1.6kW两级式光伏逆变器中,提高逆变器的开关频率,对前后两级独立进行了效率分析。在前级Boost中,比较了20 kHz 到100kHz 开关频率下,SiC MOSFET和Si MOSFET 对Boost效率的影响;在后级逆变器中,比较了100 kHz SiC MOSFET逆变器与20 kHz Si MOSFET H6逆变器的效率。搭建了1.6kW两级式光伏逆变器实验模型,采用SiC MOSFET,并在逆变器实验模型上对分析结果进行了实验验证。     

SiC MOSFET开关损耗模型

相比于硅(Si)功率器件,碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)具有耐高温、耐高压、低导通电阻、快速开关等优势,能够极大提升开关速度、减小损耗。传统封装所引入的寄生电感(特别是共源极寄生电感)及SiC MOSFET自身特性参数的非线性现象对于SiC器件的损耗有待进一步评估。针对上述问题提出一种SiC MOSFET的开关损耗模型,并采用热学方法进行了开关损耗的测试。实验结果验证了该模型的准确性,为SiC MOSFET的电路设计提供指导和帮助。     

一种适用于三相碳化硅逆变器的新型PWM策略

随着电力电子新器件制造技术的发展,基于碳化硅(siliconcarbide, SiC)器件的三相电压源逆变器(voltage source inverters,VSIs)正在得到越来越广泛的应用。然而,随着开关频率的提高,SiC逆变器将会带来更大的电磁干扰以及更多的硬开关损耗,影响SiC逆变器的可靠性以及功率密度的进一步提高。因此,针对上述问题,该文提出一种适用于SiC逆变器的新型脉宽调制(pulsewidthmodulation,PWM)策略,并且通过统一的双极性载波PWM方法,对算法进行简易实现。经过详细的理论推导,可以得出该PWM策略在全功率因数范围内使SiC逆变器的开关损耗最小,并且在整个调制度范围内抑制了SiC逆变器的共模干扰源。最后,通过实验测试,验证所提PWM策略的可行性与先进性。     

基于PLECS的SiC逆变器热设计研究

SiC器件在逆变器中的应用,使散热设计成为了高频逆变器的一个关键技术。为此,文章提出一种基于PLECS软件的SiC三相逆变器热设计方法。建立了SiC逆变器总损耗的计算模型,进行了热阻等效,并分析了散热器热阻值几何结构、特性参数的关系。在此基础上以功率10 kW的SiC MOSFET逆变器为应用对象,在PLECS软件中搭建了SiC逆变器的热-电系统,仿真分析了SiC MOSFET的损耗来源,设计了合适的散热器热阻值,根据散热器热阻模型设计散热器并在实验中完成测试,验证了该热设计方法的合理性与正确性。     

Si与SiC功率器件T型三电平损耗对比分析

分析载波周期内开通器件与电压、电流之间关系,在此基础上给出Si模块和SiC模块的T型三电平电路损耗计算模型。能够根据器件在额定状态下的特性参数,计算出导通损耗和开关损耗,从而得到电路损耗。并对使用Si模块和SiC模块时逆变器损耗、效率进行对比分析,验证该模型的正确性。然后,搭建Si和SiC模块的T型三电平电路实验平台并进行测试。最后,对比理论分析及实验结果,得出使用SiC功率器件可以使电路损耗大幅降低,大大提高光伏逆变器系统的效率的结论。总之,在全球能源互联网的带动下,新能源产业必然焕发生机,助推新一轮工业革命。     

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%。     

硅与碳化硅二极管在Buck变换器中的对比研究

硅(Si)器件在电力电子变换器中应用广泛,但其性能已接近理论极限。与Si材料制成的Si二极管相比,由新型碳化硅(SiC)材料制成的SiC二极管性能更加优越。对Si二极管和SiC二极管的器件特性,包括通态特性、阻态特性和开关过程这3个方面进行对比,又对两种二极管的损耗分布(导通损耗、阻态损耗和反向恢复损耗)进行了理论计算和对比分析。设计制作了Buck变换器实验样机,对分别采用Si二极管和SiC二极管时的主要波形、损耗、效率和温升进行了对比研究,实验结果进一步验证了SiC二极管的性能优势。