基于SiC MOSFET的移相全桥变换器研究及其可靠性分析

发布时间：2017-08-01 21:31

  本文关键词：基于SiC MOSFET的移相全桥变换器研究及其可靠性分析

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【摘要】：随着电力电子技术的高速发展,高功率密度高可靠性的功率变换器的需求越来越迫切。新型宽禁带碳化硅功率器件由于其更高的耐压,更低的开关损耗和更高的可靠性,将会带来功率变换器的革新,尤其是在高压大功率运用的场合SiC MOSFET可以取代Si IGBT提高开关频率,从而实现功率变换器的高可靠性和小型化。本文主要是基于SiC MOSFET的功率变换器的相关研究,目前,大功率变换器的技术已经很成熟,但是使用的开关管大都是Si IGBT,受IGBT本身构造和特性的限制其开关频率很难做高,主流的产品都是20kHz左右,所以制造的大功率变换器在体积上都是比较大的。而SiC MOSFET与其相比因为有更小的开关损耗和更快的开关速度所以能实现上百kHz的开关频率。本文先根据SiC MOSFET驱动特性设计了合适的驱动,满足了SiC MOSFET驱动的电平要求和快速性要求。同时使用双脉冲测试了SiC MOSFET的动态性能,双脉冲的测试方法较好的还原了器件在实际运用中的动态开关过程,通过实验测试的方法观察开关管开通和关断时候的波形,进而选择合适的驱动参数,减小开通和关断过程中的寄生震荡和开关损耗。本文基于型号ACMF10120D的SiC MOSFET研制了一个2kW100kHz的移相全桥DC-DC变换器,并完成了样机的研制,对比分析了在不同的开关频率和功率下的效率,展现了SiC MOSFET高开关频率的优势。为了明确SiC MOSFET低开关损耗的优势,在该平台下用相同功率等级的的Si IGBT替换SiC MOSFET进行了对比效率分析。最后分析了功率变换器系统的可靠性,针对并联移相全桥变换器建立了一个可靠性评估和费用优化的模型。包括基于复杂网络的单机变换器可靠性分析模型和并联整机的费用优化模型,先通过重要性评估矩阵,进行单机元件重要度的评估,再进行并联整机的费用优化,确定基于可靠性和费用分析的单机变换器的最佳数量。
【关键词】：移相全桥变换器 SiC MOSFET 可靠性
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题的研究背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 SiC二极管研究发展11-12
• 1.2.2 SiC MOSFET研究发展12-13
• 1.2.3 SiC MOSFET驱动研究发展13-14
• 1.2.4 SiC MOSFET的应用研究发展14-15
• 1.2.5 可靠性的研究发展15
• 1.3 本文主要研究内容与章节安排15-16
• 1.4 本章小结16-17
• 第二章 SiC MOSFET的驱动设计及动态性能测试17-36
• 2.1 SiC MOSFET的导通和关断过程分析17-19
• 2.2 SiC MOSFET的驱动电路设计19-25
• 2.2.1 改进型脉冲变压器驱动19-21
• 2.2.2 芯片集成型驱动21-25
• 2.3 SiC MOSFET的动态性能测试25-35
• 2.3.1 动态性能测试原理25-27
• 2.3.2 双脉冲测试实验分析27-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第三章 基于SiC MOSFET的移相全桥变换器设计与分析36-54
• 3.1 移相全桥变换器工作原理36-44
• 3.1.1 移相全桥变换器的工作模态分析36-42
• 3.1.2 移相全桥变换器的ZVS条件42-43
• 3.1.3 移相全桥变换器的占空比丢失43-44
• 3.2 移相全桥变换器功率电路设计44-49
• 3.2.1 输入滤波电路的设计44
• 3.2.2 高频变压器的设计44-47
• 3.2.3 谐振电感的设计47
• 3.2.4 隔直电容的选取47-48
• 3.2.5 副边整流二极管的选取48
• 3.2.6 输出滤波电感设计48-49
• 3.2.7 输出滤波电容设计49
• 3.3 实验结果分析49-53
• 3.3.1 实验波形50-51
• 3.3.2 变换器效率分析51-52
• 3.3.3 Si IGBT与SiC MOSFET对比分析52-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第四章 移相全桥变换器的可靠性分析54-65
• 4.1 变换器可靠性分析及费用建模方法54-55
• 4.2 移相全桥单机变换器建模55-60
• 4.2.1 网络中心性理论55-56
• 4.2.2 重要度评估模型56-57
• 4.2.3 移相全桥变换器元件的重要度评估和失效率分配57-60
• 4.3 并联移相全桥变换器系统的可靠性分析60-64
• 4.4 本章小结64-65
• 结论与展望65-67
• 1. 所做的工作65-66
• 2. 进一步的工作设想66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果71-72
• 致谢72-73
• 附件73

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本文编号：606313