基于准串联SiC MOSFET的高增益直流电力电子变压器

直流配电技术相较于交流配电有诸多优势,其在深海设备供电应用中有广阔前景。该文提出一种基于准串联碳化硅(siliconcarbide,Si C)金属–氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)的直流电力电子变压器(power electronic transformer,PET),能够在体积受限的条件下,实现几千伏中压直流到几百伏低压直流的高增益隔离电能变换。直流PET通过多个隔离降压子模块在输入端串联–输出端并联实现高电压增益。为满足输入侧高电压的需求,同时降低直流PET体积,在输入侧采用准串联Si CMOSFET半桥结构,提高子模块输入电压等级,减少子模块数量。采用裸芯片对直流PET进行搭建,并采用绝缘冷却液浸泡的方式,实现直流PET的绝缘和散热,进一步减小绝缘、散热体积,满足深海场景体积受限的应用需求。最后,搭建1台4.5kV/680V/30kW实验样机验证所提方案的可行性。     

采用SiC MOSFET与Si MOSFET的双有源桥效率仿真分析对比

通过搭建单管效率仿真模型,从功率损耗角度分析SiC MOSFET相较Si MOSFET的优势。此后结合Ansoft Maxwell有限元分析,建立了适用于给定工况下效率仿真的变压器等效模型。基于双有源桥双向DC-DC拓扑进行效率仿真,对比不同开关频率相同输入输出工况下全负载范围内二者效率差别,总结SiC MOSFET优势所在与适用工况范围。     

基于系统功率平衡的电力电子变压器中双有源桥二次侧母线电压波动抑制策略

双有源桥(dual-active-bridge,DAB)DC-DC变换器作为电力电子变压器(power electronic transformer,PET)的核心组成部件,其控制性能直接影响PET的运行稳定性和可靠性。目前,一般采用单移相(singlephaseshift,SPS)方法对其有功功率进行双向调节,同时使二次侧直流母线电压保持稳定。而DAB二次侧直流母线电压的稳定性除了受输出级功率波动的影响外,还与一次侧直流母线电压扰动有关?本文同时考虑这2个影响因素,以三级式PET为例提出了一种基于系统功率平衡的控制策略?根据DAB的有功功率计算公式引入移相比因子,利用PI控制器实时调整移相比因子的大小,实现了对DAB二次侧直流母线电压的控制;将一次侧直流母线电压加入前向控制通道,使其与被控对象中的相同因子抵消,从而抑制了一次侧直流母线电压扰动的影响;考虑滤波电感的瞬时能量波动,计算出输出级逆变器的瞬时有功功率,并将其作为前馈扰动项加入到控制环路中,能有效衰减输出级功率变化引起的二次侧直流母线电压波动。最后,在一台380V/15kW的实验室样机上通过仿真和实验,对所提控制策略的稳态和动态响应性能进行了验证,证明了其有效性,同时,该方法还可推广到高压大容量PET应用中。     

基于开关变压器技术的超大功率无触点电力电子开关模块

本文介绍了一种基于开关变压器技术的高电压大功率的式电力电子开关模块(以下简称开关变压器模块),可用于任何等级的高压交流电压调节、电流调节及功率调节。其主要特征是将电力变压器的开路特性、短路特性与可控硅的开路特性、短路特性结合起来,利用二者性能上的结合创造出耐高压的大功率电力电子开关器件。开关变压器模块的发明相当于发明了一种新的大功率无触点电力电子开关器件,成功地解决了电力电子器件串并联的低可靠性问题,可用于任何高电压大功率调节的场合,且具有极高的可靠性。     

6.5kV高压全SiC功率MOSFET模块研制

该文报道6.5kV、25A及100A两款全碳化硅(silicon carbide,SiC)功率金属场效应晶体管(metal oxide field-effect transistor,MOSFET)模块制备及测试结果。两款模块所采用的6.5kV SiC MOSFET及SiC肖特基二极管芯片均采用自主研制的高压SiC芯片,充分显示了在SiC材料外延、器件制备及模块封装领域国产化方面的巨大进展。该文报道6.5kV、25A和100A两款模块动静态性能表征结果,并与国际研究报道水平做对比分析。室温下,两款模块导通能力分别大于25A和100A;栅源短接,在漏极电压6.5kV时,模块漏电流分别为2.0μA和8.77μA。对6.5kV、25A模块动态参数、开关波形进行测试,以表征单管芯MOSFET动态性能特性。在工作电压3.6kV、导通电流25A下,对模块进行动态测试,结果表明,SiC MOSFET具有快速的开关特性,其中开通时间(开通损耗)和关断时间(关断损耗)分别为140ns(12.3m J)和84ns(1.31m J)。测试结果表明,研制的全SiC模块具有优越的动静态性能,相对传统硅6.5kV...     

单相电力电子变压器中串联谐振型双有源桥电流特性分析

三级式电力电子变压器(PET)因其良好的控制特性,受到了广泛关注和应用。三级式PET由输入级、隔离级和输出级构成,各级之间通过储能电容相连。由于功率半导体器件的耐压水平有限,一般此类PET由多个功率模块级联构成。各功率模块的中间环节通常采用串联谐振型双有源桥(DAB)变换器来实现不同直流电压等级之间的电能变换与电气隔离。本文在考虑PET交流输入侧、直流输出侧瞬时功率分布规律的基础上,建立了单相PET功率模块的动态等效电路模型,推导了其中串联谐振型DAB的电流时域解析表达式及其简化模型。通过所搭建的Matlab/Simulink仿真模型和电力电子变压器功率模块测试平台验证了该模型的正确性。     

基于SiC MOSFET的多芯片并联功率模块不均流研究

针对多芯片功率模块MCPMs(multi-chip power modules)从功率模块布局设计角度对碳化硅SiC(silicon carbide) MOSFET的并联不均流进行了研究。理论分析了造成SiC MOSFET并联不均流的原因,在忽略器件自身差异的情况下,重点分析了非对称布局对功率管并联不均流的影响。在此基础之上,以集成化大功率固态功率控制器SSPC(solid-state power controller)为背景,提出了3种适用于大功率SSPC集成功率模块的非对称布局,分别对3种布局的不均流电流进行了理论分析,并利用Ansoft Q3D提取寄生参数在Saber中对模块的动态开关过程进行仿真。仿真结果表明,通过合理的布局可以减小非对称布局引起的寄生电感不对称对SiC MOSFET并联不均流造成的影响。     

基于SiC MOSFET的新型直线变压器驱动源设计

采用新一代半导体开关器件碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),通过新型平面式布局升压技术和优化同步触发电路,设计出一种可获得快上升沿、短脉冲的直线变压器驱动源(LTD)。该驱动源由8级LTD串联而成。此处在阐明LTD工作原理的基础上,详细分析LTD主电路参数的设计,以及8级串联结构的设计,并结合Pspice软件仿真与具体实验,充分验证了该驱动源设计的可行性。实验结果表明,该驱动源在200Ω负载上,可获得峰值电压约3.8 kV,上升沿约25 ns,下降沿约30 ns,整个脉冲宽度约100 ns输出,并实现在一定范围内输出脉宽可调。     

电力电子变压器的双有源全桥DC-DC变换器模型预测控制及其功率均衡方法

该文以电力电子变压器中的输出端并联双有源(dual active bridge,DAB)全桥DC-DC变换器为研究对象,针对其动态响应慢及传输功率不均衡问题,提出一种模型预测控制策略及其功率均衡方法。同时,为了增强控制算法的灵活性,借鉴于直接电流控制的思想,提出无负载电流传感器的模型预测控制策略。最后,搭建以TMS320F28335+FPGA_6SLX45为核心控制器三单元输出并联DAB的实验样机,对所提出的模型预测控制及其功率均衡方法和传统闭环电压制以及负载电流前馈控制进行对比实验验证。实验结果表明:该方法不仅可实现各个DAB模块的传输功率均衡,同时可显著地提高变换器对于输入电压突变和负载突变时的动态特性。此外,当负载电流传感器损坏或缺省时,变换器仍然可以保持良好的动态特性并实现传输功率均衡。     

电力电子变压器用混合三电平双向DC/DC功率模块设计

高压隔离双向DC/DC变换器模块是电力电子变压器电压隔离和变换中的主要环节。为提升模块高压侧直流工作电压,减少模块级联数量,降低功率变换部分的占地尺寸和控制复杂度,采用混合三电平拓扑设计电力电子变压器功率模块。分析混合三电平双向DC/DC变换器的工作原理,对电路中的主要参数进行设计,并基于SiC功率器件完成了样机的设计,最后对样机进行了试验验证。试验结果表明,混合三电平双向DC/DC变换器工作特性与传统全桥双向DC/DC变换器一致,效率最高达到98.7%。三电平双向DC/DC变换器以较低成本和控制复杂度,提高了子模块高压侧直流工作电压,使电力电子变压器系统功率模块数量减半,有效降低了电力电子变压器的尺寸。     

功率MOSFET模块驱动电路

论述了一种通用的高速驱动器电路。该电路用于驱动功率ＭＯＳＦＥＴ模块，可工作在数百千赫高频状态，文中分析了驱动电路的主要参数估算方法，给出了实际运行结果。     

压接式SiC MOSFET模块

本文介绍了一种适用于SiC MOSFET的压接式封装方法。针对SiC MOSFET芯片面积较小的特点,使用弹性压针实现SiC MOSFET芯片上表面的压力接触。由于散热器同时也是电流通路,为减小由散热器引入的寄生电感,采用了一种厚度较薄且具有良好散热性能的微通道散热器。本文介绍了研制的压接式SiC MOSFET样品。通过仿真和实验评估了样品的电、热特性,验证了所提出封装方案的可行性。     

SiC功率MOSFET器件研制进展

碳化硅(SiC)功率金属-氧化物半导体场效应管(MOSFET)以其优越的性能受到广泛关注,但受限于器件设计和工艺技术水平,器件的潜力尚未得到充分发挥。介绍了SiC功率MOSFET的结构设计和加工工艺,采用一氧化氮(NO)栅氧退火工艺技术研制出击穿电压为1 800 V、比导通电阻为8mΩ·cm~2的SiC MOSFET器件,测试评价了器件的直流和动态特性,关断特性显著优于Si IGBT。评估了SiC MOSFET器件栅氧结构的可靠性,器件的栅氧介质寿命及阈值电压稳定性均达到工程应用要求。     

基于扩展规格书数据的SiC功率MOSFET建模

本文提出一种实用的SiC功率MOSFET建模方法。所建立的模型可在图形化仿真软件中实现,用于电力电子电路损耗分析。首先,基于器件规格书数据建立器件的静态模型;然后,对SiC功率MOSFET的物理结构、物理特性进行分析,依据分析结果对规格书数据进行扩展,建立模型的各个动态部分,从而构成完整的模型;最后,建立多种商用SiC功率MOSFET模型,并对模型进行仿真和实验验证,验证结果显示模型具有令人满意的精度和适用范围。本文建模方法所用数据仅源自产品规格书,无须通过测量获取规格书之外的其他数据。     

基于双有源桥式DC-DC变换器的电力电子牵引变压器的电压平衡控制

提出一种基于双有源桥式(DAB)DC-DC变换器的电力电子牵引变压器(PETT)的电压平衡控制策略,分析这种控制策略的作用机理,并提出一种PETT的起动控制方法。建立单个DAB的数学模型、DAB并联系统的整体模型以及DAB并联系统的电压平衡控制模型,以方便、有效地进行输出电压控制器、输入电压平衡控制器的设计。基于两单元PETT实验平台,开展仿真和实验研究,仿真和实验结果一致,变换器的稳态和动态控制性能良好。仿真和实验结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

基于开关瞬态反馈的SiC MOSFET有源驱动电路

受内部寄生参数与结电容的影响,碳化硅(SiC)功率器件在高速开关过程中存在极大的电流电压过冲与高频开关振荡,严重影响了SiC基变换器的运行可靠性。因此,该文首先对SiC MOSFET开关特性进行深入分析,揭示栅极电流与电流电压过冲的数学关系;然后提出一种变栅极电流的新型有源驱动电路;通过对SiC MOSFET开关瞬态的漏极电流变化率d I_d/dt、漏-源极电压变换率d V_ds/dt以及栅极电压V_gs的直接检测与反馈,在开关过程的电流和电压上升阶段对栅极电流进行主动调节,抑制电流电压过冲与振荡;最后在多个工况下对本文所提方案进行实验验证。结果表明,与常规驱动方案相比,该文方法减小了30%～50%的电流电压过冲,有效抑制振荡与电磁干扰,提高了SiC MOSFET变换器的运行可靠性。     

基于输出侧双模块并联的电力电子变压器高电能质量控制策略

电力电子变压器(power electronic transformer,PET)在给不平衡或非线性负荷供电时,可能会出现PET装置输出侧电压幅值和频率不稳定的现象,甚至影响PET的供电可靠性。针对PET输出容量大、容量模块化可调、高电能质量供电等需求,避免单台逆变器输出模块在处理不对称或非线性负荷时的局限性,本文提出了PET输出侧(逆变级)双模块并联的高电能质量控制策略。主要思路为:输出侧中的一个逆变器模块采用电压电流双闭环控制策略,可视为电压源,负责提供稳定的PET输出侧电压,起到稳定其他输出侧逆变器模块的电压基准值的作用,既可以补偿所有负序、谐波及无功电流以降低对PET输出电压的不利影响,同时还按照既定的输出侧模块功率分配策略输出有功功率和无功功率。输出侧的其他逆变器模块则采用电流补偿控制策略,可视为电流源,用于增大输出电流,提升PET装置的容量。以两个输出侧逆变器模块并联输出为例进行理论分析,认为所提控制策略既可以提高PET装置的输出容量,又可以极大降低非对称负荷对PET输出电压稳定的不利影响,有效地提升了PET的负载适应性、容量扩展性及供电可靠性。仿真结果验证了本文所提出控制策略的有效性。     

基于高压GaN器件的双有源桥设计

高压氮化镓(GaN)与传统硅基器件相比,其禁带宽度更宽,导通电阻及寄生电容更小,因此应用在中小功率场合可有效提高变换器的功率密度和开关频率。根据高压GaN的开关特性,设计了一种能消除米勒效应的高压GaN驱动电路,继而又设计了一款开关频率达200 kHz的高压GaN双有源桥实验平台,并进行了相应的实验验证及效率、温度的分析。