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。     

全SiC三相逆变器传导电磁干扰建模与预测

三相逆变器中的开关器件快速开关动作产生高的du/dt、di/dt,在系统寄生参数的作用下产生了电磁干扰(EMI),影响系统的可靠运行。相比较Si器件,SiC器件具有很多优势,在三相逆变器系统中得到了越来越多的应用。但是,SiC器件的开关频率更高,开关速度更快,使得其电磁干扰问题也更严重。本文通过对全SiC三相逆变器传导电磁干扰的干扰源及传播路径进行建模,采用时域仿真加快速傅里叶变换(FFT)的方法预测了电源端口处的传导干扰,在10kHz~30MHz的频段范围内,仿真结果与实测结果基本吻合,验证了所建模型的正确性。     

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。     

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%。     

基于小波预测控制的并网逆变器研究

为进一步改善并网电流的谐波频谱,提出一种能够降低开关频率附近谐波的最大小波尺度预测控制方法。推导出d,q坐标下小波调制(WM)逆变器输出电压变尺度数学模型;根据并网逆变器离散状态方程得到了d,q轴解耦的最大小波尺度控制函数;再根据WM逆变器输出的相位模型控制三相小波尺度j_a,j_b,j_c变化,实现了在单位功率因数下对并网逆变器输出电流的控制。仿真和实验结果证明了该方法的有效性和实用性。     

逆变器共模电压干扰及抑制措施研究

紧凑型逆变器设计中随着功率密度的提升,功率器件快速开关过程所引起的电磁兼容问题越来越突出,而要使逆变器在各种环境条件下稳定运行,EMC设计显得尤为关键。针对逆变器的共模干扰问题,从共模干扰传导的三条路径展开分析,基于ANSYS电磁仿真平台建立了逆变器共模干扰等效模型,分析干扰信号的传播通道及作用原理,得出共模干扰电压与寄生电容的关系,通过实验进行验证,提出了两种通过减小寄生电容进行共模抑制的有效方法。从原理分析到仿真得出结论然后以案例加以验证,对于逆变器EMC设计及逆变器共模干扰问题的解决具有实际指导意义。     

三电平并网逆变器恒定开关频率的模型预测控制

传统的有限控制集模型预测控制存在开关频率不固定的缺点,这给并网逆变器输出滤波器的设计带来了很大的困难。针对这个问题,提出了一种三电平并网逆变器恒定开关频率的模型预测控制策略。该控制策略将预测最优开关序列控制用于三电平并网逆变器中,并对其寻优方式进行改进。改进的方式是通过找出使目标函数最小的中心矢量来对最优开关序列所在的小扇区进行定位。仿真和实验结果表明,所提控制策略不仅能够在实现定频控制的基础上有效减少计算量,而且具有良好的静态和动态性能。     

三相并网逆变器改进定频模型预测电流控制

三相并网逆变器传统模型预测控制存在开关频率不固定和输出电流谐波含量较高的问题,给并网逆变器输出滤波器的设计带来了一定困难,并且影响并网逆变器的运行效率。为此,提出一种三相并网逆变器改进定频模型预测电流控制算法,在每个控制周期采用三个电压矢量,通过 轴电流无差拍控制来确定每个电压矢量的作用时间,以电流跟踪误差最小选择最优电压矢量组合,再经过DPWM0调制得到开关信号,实现输出电流定频控制且谐波含量降低。仿真和实验结果验证了所提算法的可行性和有效性。     

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。     

光伏并网逆变有限状态模型预测直接功率控制

针对并网逆变器传统直接功率控制存在开关频率不固定、输出滤波器复杂和采样频率高等问题,在构建光伏并网逆变器有限状态直接功率控制的预测模型的基础上,提出一种光伏并网逆变器的有限状态模型预测直接功率控制方法。对系统输出有功和无功进行预测,根据代价函数,选择使输出功率脉动最小的电压矢量并作用于下一采样周期。此外,对系统进行一拍延时补偿,并实现功率的动态调节。仿真和实验验证了所提方法的有效性。     

软开关单相光伏并网逆变器原理及并网实验

为了优化效率及提升功率密度,提出了一种采用MOSFET的软开关单相光伏并网逆变器及零电压调制方法。介绍了软开关单相并网逆变器的工作原理,通过零电压调制方法控制辅助谐振电路,实现MOSFET的零电压开通,并抑制MOSFET体二极管的反向恢复。因此,逆变器等效开关频率为100 k Hz,并网滤波电感减小。组建了一个30 kW光伏并网发电系统,对10台3 kW软开关单相光伏并网逆变器进行光伏发电测试,验证理论分析及可靠性。     

电动汽车SiC MOSFET风冷逆变器的散热器设计

电动汽车驱动逆变器对功率密度具有很高要求,驱动逆变器的散热设计不仅影响电驱动系统能否可靠运行,同时散热系统的体积也成为制约逆变器功率密度的瓶颈。基于20 k W电动汽车Si C MOSFET风冷逆变器,分析散热器热阻与其几何尺寸的关系,在满足逆变器散热要求的条件下,对散热器风扇个数、散热沟槽数、肋片厚度以及散热器的沟槽长度进行设计,并分别采用热仿真和实验对理论设计进行比对。     

新型单相光伏并网逆变器共模电流抑制研究

针对现有非隔离单相光伏并网逆变器拓扑共模电流大、效率低等问题,提出一种新型非隔离单相光伏并网逆变器拓扑,该拓扑在单相全桥逆变器的基础上增加2个续流二极管,并将交流侧滤波电感移至逆变器下桥臂,使得开关周期内共模电压保持恒定,有效抑制了共模电流;同时高频开关管使用MOSFET,工频开关管使用IGBT,且避免引入额外的开关管,系统整体损耗降低.通过对3 kW系统的仿真和实验,验证了新型拓扑抑制共模电流的效果.     

SIC MOSFET在感应加热电源中的应用

目前,感应加热电源技术主要朝着大功率、高频率和智能化控制技术的方向发展。然而,随着逆变开关频率的提高,功率器件的开关损耗随之增加。具有高临界雪崩击穿电场强度、高热导率、小介电常数等突出优点的宽禁带半导体材料SiC MOSFET的应用为这一问题的解决提供了理想的方案。本文详细研究了感应加热电源逆变器的设计、SiC MOSFET器件的驱动电路以及电源的功率扩展等问题;开发出了频率超过800 kHz,单逆变桥功率超过50k W的新型感应加热电源;通过并桥处理,电源单机容量可达200 kW,在一定程度上填补了将新型SiC MOSFET器件应用于感应加热领域的空白。     

一种交错并联型单相非隔离MOSFET并网逆变器

为了提高光伏并网逆变器转换效率并解决漏电流问题,提出一种新型的交错并联型单相非隔离MOSFET并网逆变器。引入了交错并联技术,在不提高开关频率的情况下,可以使逆变器输出纹波电流减小,提高系统的功率密度。在续流阶段电流不流经体二极管,因此可以使用MOSFET,相比于IGBT具有更低的开关损耗。采用单极性调制策略,电感纹波电流小,同时无桥臂直通问题。设计制作了一台2kW的原型机,实验结果表明所提出的拓扑具有良好的漏电流抑制能力,和较高的效率,验证了理论分析的正确性。     

新型大功率光伏并网逆变器关键技术仿真研究

大型光伏电站需要的并网逆变器单机功率越来越大,然而在低功率情况下,单机大功率光伏并网逆变器效率会迅速下降。如何解决在低功率条件下大功率逆变器的效率问题成为一项值得研究的关键技术。提出了一种基于不平衡功率单元并联技术的1 MW新型光伏并网逆变器,可有效提高大功率逆变器在低功率条件下的效率和电能质量。详细地叙述了新型逆变器的工作原理,提出了不平衡功率单元无扰切换方法。基于MATLAB仿真模型对无扰切换方法进行了仿真研究,仿真结果表明并网逆变器切换过程中的扰动问题得了到很好的解决。     

考虑变温度影响的SiC MOSFET建模与分析

为了准确反映SiC MOSFET在不同温度下的电气特性,对影响SiC MOSFET电气特性的关键参数进行了分析,提出了一种SiC MOSFET等效电路模型。首先,根据SiC MOSFET阈值电压和跨导随温度变化的规律,采用函数拟合的温控电源模型对SiC MOSFET的阈值电压和漏极电流进行补偿;其次,考虑寄生电容与极间电压的关系,采用电容子电路和可变电容模型对SiC MOSFET的寄生电容进行等效模拟,根据SiC MOSFET体二极管对其静、动态特性的影响,利用独立二极管模型描述体二极管特性,进而建立SiC MOSFET的等效电路模型。最后,在不同温度条件下,对该模型进行了仿真并与实验测试结果进行了对比。结果表明所建模型较为准确地描述SiC MOSFET在较宽温度范围内的静、动态特性,验证了模型的有效性。     

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。