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。     

混合并联功率器件开关模式优化及特性分析

在对比SiC MOSFET与Si IGBT器件开关特性的基础上,提出了一种SiC MOSFET和Si IGBT混合并联器件的优化开关模式,并结合系统稳态模型,分析了其非理想开关过程特性。最后利用双脉冲测试,对在不同开通/延迟时间下混合并联器件开关特性展开了实验。实验结果表明,所提开关模式能够同步实现SiC MOSFET扩容并降低Si IGBT的开关损耗,此处所得研究成果对于拓展两种开关器件的混合应用提供了技术参考。     

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。     

基于碳化硅器件及其驱动的谐振变换器设计

硅(Si)基电力电子器件受限于Si材料特性难以在耐压、耐温、开关频率等方面有所突破,而碳化硅(SiC)基器件因其性能优异,尤其在中高压电能变换设备的应用中前景广阔。理论与实验对比分析了SiC MOSFET与Si MOSFET,Si IGBT的特性,对驱动电路进行了分析与改进以适应不同器件驱动电压的需要,最后应用SiC MOSFET及其驱动电路搭建了100 kHz CLLC谐振变换器实验样机。说明了SiC基器件相较于Si基器件在导通、关断以及开关性能上的优势,验证了改进后驱动电路以及基于此来研制高性能电源变换器的可行性。     

SiC MOSFETs与Si IGBTs的性能对比研究

通过采用双脉冲测试方法,以具有相同电流额定值的SiC MOSFET CMF10120D(1 200V/24A)和Si IGBT IKW25T120(1 200 V/25 A)作为样本,在相同测试条件下研究了两种器件的动态特性、反并联二极管的反向恢复特性和开关损耗。研究发现,SiC MOSFET的开关速度快,开关损耗仅为Si IGBT的69%。最后,利用IPOSIM对两种器件应用于三相逆变器中的结温进行对比研究。结果表明,在输出频率为50 Hz时,Si IGBT的最大结温为166℃,已超过允许的150℃,结温波动为37℃,而SiC MOSFET的最大结温仅为105℃,结温波动仅为19℃;反并联二极管的结温波动基本相同,但Si IGBT反并联二极管的最大结温要高出26℃。因而,在大功率、高温电力电子变换器的应用中,SiC MOSFET更具优越性。     

混合模块及其应用

SiC器件是下一代电力电子器件,目前价高难推广应用,在器件换代过渡期为增大功率及降低成本推出Si和SiC混合模块是现实的解决方案。除价格因素外,SiC器件的高开关速度导致开关过程电压和电流大幅振荡,也为应用带来很大困难,混合模块有助于克服这困难。介绍两种Si和SiC混合模块的应用:硅IGBT和碳化硅BCD混合模块及硅IGBT和碳化硅MOSFET混合模块。另外,还介绍全硅IGBT和MOSFET混合模块的应用,它也能获得Si-IGBT+SiC-MOSFET模块的许多好处。     

基于新型1200V碳化硅(SiC)MOSFET的三相双向逆变器的研究

研究了基于新一代宽禁带1 200 V碳化硅(SiC)MOSFET三相双向逆变器,由于SiC MOSFET的高耐压、低损耗、高开关频率特性,逆变电路的拓扑结构得到简化,并提高了功率密度和可靠性。同时,利用碳化硅MOSFET的双向第三象限导通特性,与硅基IGBT相比省略了开关器件的反并联二极管。20 k VA实验样机验证了在该中大功率三相双向逆变器中SiC MOSFET相比硅基IGBT方案的优势。     

SiC MOSFET特性及其应用的关键技术分析

SiC MOSFET(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)以其优越的特性受到国内外学者的广泛关注,采用SiC器件的变换器能够采用高的开关频率、适应高温工作,实现高的功率密度,在一些应用场合能够代替Si基高频开关器件而显著提高电能变换装置的性能。然而,SiC器件与Si器件存在较大的差异,在实际应用中直接替换使用会存在诸多的问题,例如提高工作频率后产生的桥臂串扰、电磁干扰EMI(electromagnetic interference)等问题。目前已有大量关于SiC MOSFET应用研究的文献,但大部分都是针对SiC MOSFET应用中个别问题的研究,尚缺少对SiC MOSFET应用研究成果的系统性归纳与总结的文献。首先基于对SiC MOSFET与Si MOSFET/IGBT(insulated gate bipolar transistor)的静态、动态特性的对比,总结出SiC MOSFET在实际应用中需要关注的重点特性;然后从SiC MOSFET建模、驱动电路设计、EMI抑制以及拓扑与控制方式的选择等方面对已有的研究成果进行归纳与评述;最后指出了SiC MOSFET在应用中所需要研究解决的关键问题。     

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。     

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。     

CLLLC谐振变换器变频移相混合控制方法

针对CLLLC谐振变换器存在脉冲频率调制的电压增益范围不足、相移调制的效率较低的问题,提出了一种可同时调节开关管占空比与开关频率的变频移相混合控制方法.该方法可以根据输入电压范围与负载功率变化范围自由切换混合控制模态以实现宽范围软开关与高运行效率,具有极高的调节自由度,且通过移相控制降低了启动时的冲击电流从而实现了软启...     

三电平逆变器开关管电压应力解决方案研究

三电平二极管钳位型桥式变流器是适应高电压、大功率应用环境比较好的方案。然而,三电平逆变器开关管在开通关断过程中普遍存在电压应力超标问题。为了解决上述问题,对三电平逆变器开关管应力进行分析后提出了开关管驱动保护电路,设计并优化了三电平的驱动波形。最后,在三电平逆变器实验平台上进行试验验证了该方法的有效性。     

Comparison of Static and Switching Characteristics of 1200 V 4H-SiC BJT and 1200 V Si-IGBT

In this paper, static and switching characteristics of a 1200 V 4H-silicon carbide (SiC) bipolar junction transistor (BJT) at a bus voltage of 600 V are reported for the first time. Comparison was made between the SiC BJT and a 1200 V Si insulated gate bipolar transistor (IGBT). The experimental data show that the SiC BJT has much smaller conduction and switching losses than the Si IGBT. The SiC BJT also shows an extremely large reverse bias safe operation area, and no second breakdown was observed. This removes one of the most unattractive aspects of the BJT. The results prove that, unlike Si BJTs, BJTs in 4H-SiC are good competitors for Si IGBTs.     

高效率LLC谐振变换器的定频混合控制策略

LLC谐振变换器为实现输出电压在宽范围内变化,普遍采用变频控制策略。然而变频控制策略存在谐振参数设计困难、变压器体积较大和电磁兼容等问题。为克服变频控制策略中存在的问题,提出定频变母线电压和移相混合控制策略。通过增大副边开关管零电流关断范围,提高变换器的工作效率和功率密度。分析所提控制策略的工作过程和软开关实现条件,并提出谐振网络参数设计方法。     

一种适用于微电网状态无缝切换的混合控制策略

针对传统微电源逆变器控制算法需要在微电网并网和孤岛运行时切换的弊端,提出一种适用于微电网无缝切换的混合控制策略。该混合控制策略算法可以同时支持并网和孤岛运行状态,消除了在微电网状态切换时由于软件进行切换所带来的冲击。该算法在并网阶段微电源逆变器具有有源滤波器功能,消除非线性负载对电网带来的谐波电流;其电压环采用比例谐振控制器有效消除孤岛时微电源逆变器输出的电压静差。仿真结果验证了控制策略的正确性。     

用于未来铁路牵引链的SiC MOSFET对偶模块特性

SI基IGBT广泛的应用于铁路牵引变换器上,而在不远的将来,SiC将有望在三个方面突破开关器件的极限：高闭锁电压,高工作温度和高开关速度。如今,第一代SiC MOSFET模块已经在市场出现,并且前景很好。虽然仍旧受限于击穿电压,但这种大间隙器件还是会提高牵引链效率。特别是有望能够明显的降低开关损失,从而能够提高功率重量比。     

多绕组同时供电直流变换器型多输入逆变器

提出多绕组同时供电直流变换器型多输入逆变器电路结构与拓扑族及其主从功率能量管理移相控制策略,对其控制策略、稳态原理特性和主要电路参数设计准则等关键技术进行深入分析研究,获得重要结论。该电路结构是由Boost型多绕组直流变换器和Buck型逆变器两级级联而成,主从功率能量管理是指第1,2,…,n-1路输入源输出最大功率,第n路输入源补足负载所需的功率。1 000V·A DC-AC全桥式多输入逆变器的仿真和实验结果表明,该变换器具有高频电气隔离、电压匹配能力强、功率密度高、多路输入源可同时向负载供电、占空比调节范围宽、多模态平滑切换等优点。     

多包络线谐振软开关逆变器控制策略

为了满足光伏微型逆变器高功率密度、高性能、低总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)的要求,文中基于临界电流模式提出一种多包络线谐振软开关逆变器控制策略,通过进行开关管的分时控制达到平衡电感电流上升下降时间的目的,从而缓解过零点畸变。随后,详细介绍多包络线谐振软开关逆变器控制策略的工作模态,并从软开关、开关频率、开关管损耗与逆变效率、过零点畸变程度等方面与传统临界电流模式进行对比分析。为验证控制策略的有效性,文中基于PSIM搭建了500 W谐振软开关单相全桥逆变器进行开环仿真验证。仿真结果表明,与传统的单极性临界电流模式相比,多包络线临界电流模式可以有效优化过零点问题,能够滤除谐波、降低THD,并且实现零电流开关(zero current switch,ZCS)和全部开关管的零电压开关(zero voltage switch,ZVS)。     

四开关Buck-Boost变换器的三模式控制方法研究

针对四开关Buck-Boost变换器在两模式运行时,其输入输出电压接近时模式切换频繁以及开关管难以运行在极限占空比下的问题,提出了一种基于平均电流控制的Buck、Buck-Boost、Boost三模式切换策略。该策略在原有Buck、Boost两模式的基础上,通过检测输入电压单元来控制调制信号偏置电压,实现四开关BuckBoost变换器在Buck、Buck-Boost、Boost三模式下平滑切换,使开关管在宽输入电压范围内工作在有效占空比区间。通过使用平均电流控制来限制电感电流变化,确保变换器的安全可靠运行。最后搭建saber仿真模型和硬件实验平台,验证了所提控制策略的可行性。