SiC MOSFET开关损耗测试方法研究

准确测量金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor,MOSFET)开关损耗,是正确评估碳化硅(silicon carbide,SiC) MOSFET开关特性、优化驱动电路、降低损耗的前提。由于SiC MOSFET具有较高的开关速度,传统的双脉冲测试方法存在测量延时、高频振荡等问题,导致损耗评估这一在Si IGBT时期并不严重的问题在SiC时代更加凸显。该文首先对理想开关过程进行分析,提出一种由开关时序特征来校准测量延时的方法,并考虑到实际开关过程中寄生参数的影响,对延时校准方法进行改进;其次分析开关暂态过程中的高频振荡,提出一种计算高频振荡产生附加开关损耗的方法,在保证器件安全的前提下,通过综合开关损耗最优原则对驱动电路参数进行筛选;最后以一款自主封装的全SiC MOSFET功率模块为例,对测试方法进行评估验证,设计结果应用于一款车用驱动控制器,和相同功率等级的Si IGBT控制器进行测试对比,证明文中方法的正确性和实用性。     

GaN器件高频精确测试及开关特性对比研究

对高频工况下氮化镓(GaN)器件的开关特性精确测量进行了研究,基于市面上两种不同类型的GaN器件,对其开关特性进行对比测试,分析高频工况下不同类型GaN器件的优势。首先,分析不同测量方式对电流测量波形的影响,选择适用于高频工况下的电流测量方式;其次,对高频驱动回路进行优化布局,减小寄生电感,使得开关特性测量结果更为精确;最后,基于双脉冲测试平台,分别对共源共栅(Cascode)型和单体增强(EMode)型两类GaN器件进行开关特性测试,明确各自特性优势和应用场合。     

一种断续电流模式的新型高频电流源驱动电路

随着高频功率变换器开关频率不断提高,其功率器件MOSFET频率相关损耗都大幅增加,特别是开关损耗和驱动损耗.为减小上述损耗,电流源驱动方式被提出.提出一种新型断续电流模式的电流源驱动(current source driver,CSD)电路.相比连续电感电流CSD电路,其最重要的优点是:电流源电感值大为减小(1 MHz开关频率时一般为20 nH,减小约90%).所提CSD电路具有开关速度快、开关损耗小的优点,同时,通过电流源电感可以回收高频驱动能量.由于所提电路工作在电流断续模式,因此其环流损耗小,且占空比和开关频率变化范围宽.详细分析其工作原理,讨论最优设计,并给出实验结果.     

Cascode GaN高电子迁移率晶体管高频驱动电路及损耗分析

为了减小氮化镓驱动电路高频工作时的损耗,针对共栅共源氮化镓高电子迁移率晶体管(Cascode GaN HEMT)提出一种高频谐振驱动电路,采用储能元件替代传统驱动电路中的耗能元件,电感电流为GaN器件栅极电容充/放电,有源密勒钳位电路抑制桥臂串扰.该文重点研究高频谐振驱动电路的工作模态,对电路损耗进行详细分析,给出电感取值的选取原则,并利用PSIM软件对电路进行仿真.最终搭建实验平台对电路的性能进行测试.结果表明,电感为电容充/放电提供低阻抗通路,能有效减小GaN器件驱动电路的电压振荡,明显降低驱动电路的损耗.仿真和实验同时证明了所提出的电路具有较好的性能.     

无损升压APFC电路研究与设计

有源功率因数校正(APFC)电路作为提高功率因数的有效措施,已成为电力电子装置应用与研究热点。实际应用中大多数APFC电路采用Boost变换电路。此电路结构简单,但开关管在高频工作状态下开关损耗较大。为解决这一问题,给出一种改进型无损软开关电路,该电路无需额外增加开关与控制器件,应用于升压式APFC电路能有效减小高频开关管损耗,提高变换器转换效率。通过2 kW实验样机,验证了该电路的有效性。     

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。     

基于碳化硅MOSFET的99.2%高效率功率因数校正器

半桥功率因数校正PFC(power factor correction)拓扑由于其具有较少的电流回路器件数,因而导通损耗小、效率高。但是,该拓扑中开关器件电压应力大,因此如果选用高压的IGBT作为开关器件,则开关损耗很大。新型的碳化硅MOSFET由于兼顾了高耐压与低通态电阻,其具有较小的开关损耗,可以降低开关损耗,尤其是关断损耗。但由于高频工作时其开通损耗仍然较大,严重制约变换器效率的提高。因此,利用碳化硅MOSFET优良的开关特性,采用电感电流三角波模式(TCM)的控制方式,使器件工作在零电压开通状态下,进一步降低开关损耗。针对这种控制方式,详细叙述了各个关键参数的计算,并设计搭建了一台1 100 W的全碳化硅半桥功率因数校正变换器,其达到了较高的效率,峰值效率达到了99.2%。     

面向中压交直流配电网的高频链直流固态 变换器损耗模型和分析

高频链直流固态变换器(DCSSC)是中压交直流配电系统的关键设备之一。针对传统方法未考虑硬开关运行问题,本文提出了一种基于输入串联输出并联双有源桥的高频链固态变换器损耗计算方法。分析了高频链直流固态变换器软开关和硬开关工况下的工作原理,给出了不同阶段下开关器件有效导通时间,推导了软开关和硬开关下的电流平均值和有效值解析模型。建立了高频链直流固态变换器的通态损耗和开关损耗模型,给出了改进型高频变压器损耗计算方法。最后通过Matlab和PSIM仿真软件在开关频率和传输功率变化情况下对高频链固态变换器的各部分损耗分布和系统效率进行了验证和分析。     

用于无刷直流电机驱动的谐振极软开关逆变器

用硬开关逆变器来驱动无刷直流电机会产生逆变器的开关损耗大和运行效率低的问题。为降低开关损耗,提出一种用于无刷直流电机驱动的新型谐振极软开关逆变器的拓扑结构,通过在传统硬开关逆变器的三相输出端添加辅助谐振电路,利用辅助电路中的高频变压器的等效电感与主开关并联的缓冲电容之间的谐振,实现逆变器主开关器件的零电压开关和辅助开关器件的零电流开关。依据不同工作模式下的等效电路图,分析了电路的换流过程和设计规则,并建立起了辅助谐振电路损耗的数学模型,讨论了谐振参数对辅助电路损耗的影响。制作了1台实验样机,实验结果表明逆变器的主开关和辅助开关都实现了软开关。该谐振极软开关逆变器能有效改善效率,降低开关损耗。     

基于驱动电流动态调节的低过冲低损耗SiC MOSFET有源门极驱动

与硅基功率器件相比,碳化硅(silicon carbide,SiC)MOSFET具有开关速度更快、导通损耗更低等优点,将越来越广泛的应用于高效高功率密度场合。但是,其开关特性对寄生参数非常敏感,在高速开关过程中极易产生瞬态电压电流尖峰和高频开关振荡,严重威胁Si C基变换器的可靠运行。针对这一问题,文中对SiC MOSFET的开关暂态过程进行深入分析,揭示门极驱动电流对开关过程电压电流过冲、振荡与开关损耗的影响机理。在此基础上,提出一种驱动电流分段动态调节的SiC MOSFET有源门极驱动电路,即根据开关过程不同阶段的状态反馈动态调整器件门极驱动电流。实验结果表明,所提出的方法能够在维持低开关损耗的同时,实现了对SiC MOSFET开关过程中电压电流过冲和高频振荡的有效抑制,提升SiC基电力电子装置的动态性能与运行可靠性。     

高频LLC谐振变换器的效率优化

随着电力电子功率器件的发展,功率变换器向着高频、模块化发展。LLC谐振变换器由于拓扑结构简单且能在全负载范围内实现开关管的零电压开通和副边二极管的零电流关断,损耗小、效率高,可逐渐应用于高频场合,从而成为业界的研究热点。随着工作频率的提高,原先在传统LLC中被忽略的寄生电容不仅会影响原边开关管的软开关过程而且还会使得谐振电流发生畸变。分析了寄生电容对变换器软开关的影响且对死区时间进行优化设计,以提高变换器的效率。研制了一台功率为250 W,工作频率为400 kHz的LLC谐振变换器原理样机,并进行了实验验证。     

Alleviation Technique for Thermal Concentration on Specific Switching Devices in Zero‐Speed Driving of PMSM

In this paper, a technique is proposed for alleviating the thermal concentration on specific switching devices by using a zero‐sequence voltage in a three‐level inverter that drives a permanent magnet synchronous motor (PMSM) in a zero‐speed and high‐torque condition. The use of the PMSM in home electronics and industrial products has become widespread, since it can realize miniaturization and a high efficiency drive. However, a large DC current flows when the PMSM is used in a zero‐speed and high‐torque condition, for example, in the hill‐start of electric vehicles, start or stop of elevators, or servo lock of servo pressing machines, and so on. In these cases, the current flows in the specific switching devices and heat generation is locally concentrated. This problem is unavoidable in a conventional two‐level inverter. A technique that can change the current path in a three‐level inverter and control the losses generated in the switching devices is proposed. We evaluated the effects of the proposed technique through a circuit simulation in which the electrical characteristics of a commercially available power device were applied. The proposed technique can reduce the highest loss of the switching devices in the three‐level inverter by about 40% as compared to that in a conventional inverter. Moreover, a method is proposed that suppresses the neutral point potential variation between the power supplies. This method can also reduce the maximum loss of the specific switching devices by about 30%.     

全桥变换器高频变压器的磁损测试方法

全桥开关变换器中较大的负载电流会在桥臂开关管上引起严重的振铃现象,直接基于全桥变换器拓扑测试高频变压器的磁芯损耗精度将会受到显著影响。文章提出了一种新颖的全桥变换器控制方法,通过合理的驱动时序组合,使高频变压器所承受的激磁电压波形和偏置电流与传统开关变换器中的工作条件完全一致。提出的驱动信号控制组合可保证在二极管续流期间给高频变压器激磁电流提供类似的通路以保持恒定,易于实现桥臂开关管的ZVS。因此开关过程中的振铃现象显著降低,磁损测试精度得到保证,实验验证了所提方法的正确性。     

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。     

一种新型双频控制大功率逆变器的仿真研究

该文介绍了一种新型双频控制高压大功率逆变器,其拓扑由一个可以采用GTO等低频开关器件的大功率逆变器单元(主逆变器)和一个可以采用IGBT等高频开关器件的小功率逆变器单元(辅逆变器)级联组合而成.主逆变器单元采用定脉宽控制方式,主要用于输出功率以提高整个逆变器的功率等级;而辅逆变器单元采用多电平PWM控制技术,主要用于提...     

基于81电平铁路功率调节器的不平衡补偿策略

为进一步降低铁路功率调节器在大功率补偿过程的开关频率,采用开关频率较低的混合级联81电平变换器作为电压源、开关频率较高的单相全桥变换器作为电流源,将两个电压源背靠背连接,提出一种81电平铁路功率调节器。由于系统中承担85%的补偿功率的开关器件的开关频率在250 Hz及以下,开关频率高的电流源仅承担1%的功率,因此系统开关损耗小且对补偿电流参考信号的跟踪性能好。研究了系统的基本结构及其等效电路,通过构建等效对称三相电压源建立等效三相电路,采用有功功率平均分配法,使得补偿后的系统等效为Y-Y型对称三相电路,从而实现不平衡电流补偿,并提出一种新的补偿电流检测方法。仿真结果证明所提系统及其补偿方法的有效性和可行性。     

有源钳位型三电平特定谐波消除调制方法研究

有源钳位型三电平逆变器可以实现功率器件损耗的平衡分布,均衡功率器件结温,间接提高逆变器的容量。特定谐波消除法具有波形质量高、开关损耗低的特点。本文提出了一种有源钳位型三电平逆变器的特定谐波消除调制方法,能够同时兼顾输出电压波形质量、开关器件的损耗和结温的均衡分布,在保证输出电压谐波特性的前提下降低逆变器开关频率,提高逆变器的设备容量。对所提出调制策略进行了损耗和结温的仿真分析,并在实验平台上进行了实验验证,仿真和实验结果验证了本文调制策略的有效性。     

基于扩展移相控制的高频DAB变换器ZVS控制方法

双有源桥（Dual active bridge,DAB）在需要高效能量双向流动的工作场景有广泛的应用。在高开关频率工作时,变换器开关器件结电容充放电时间无法忽略,导致扩展移相控制下DAB零电压开通（zero voltage switching,ZVS）范围断续。通过分析扩展移相控制下双有源桥DC-DC变换器工作模态,建立高开关频率工况下DAB变换器数学模型,提出一种利用磁化电流扩宽ZVS范围的方法。在此基础上,结合电感电流应力优化算法,提出一种适用于高频工况应用的电流应力优化下的软开关控制策略。采用该控制策略,可以有效减小导通损耗,消除开关损耗,显著提升高开关频率下的变换器效率。最后,搭建400KHz实验样机,验证控制策略有效性。     

基于GaN HEMT的半桥LLC优化设计和损耗分析

较之于传统硅器件,新出现的增强型氮化镓晶体管GaN HEMTs(gallium nitride high electron mobility transistors)具有很高的开关速度和高功率密度的特性,可以为直流变换器提供有效的改进。为了解决GaN HEMT在硬开关应用场合下的波形振荡并提高功率密度和效率,采用半桥LLC谐振变换器为本次应用的拓扑结构。以减小损耗为目的,优化了LLC的谐振参数和死区时间。在400 V输入电压、开关频率300 kHz和输出电压18 V电流12 A的测试条件下,效率达到95.59%。最后对变换器的损耗来源进行分析,损耗的理论计算值接近实际测量值,证明了方法具有一定的实用性。