大容量SiC MOSFET串联关键技术研究
发布时间：2023-03-18 23:41
中压大功率变流器是全电化舰船、新能源发电和直流电网等国家重点发展领域的电能转换核心装备。随着国家对节能减排的更高要求,中压大功率变流器的应用前景日益广阔。基于碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)的中压大功率变流器具有高效率、高功率密度和轻量化的特点,是国内外学术界和工业界共同关注的研究热点和焦点之一。然而,囿于碳化硅器件的制造工艺和结构,SiC MOSFET的电压等级和容量等级难以直接满足中压大功率变流需求。与高压单管SiC MOSFET相比,串联器件在导通电阻和器件成本等关键指标上具有明显优势。为此,本文开展SiC MOSFET串联运行基础理论与关键技术研究,以实现变流系统的提压扩容,从而推动SiC MOSFET在大功率变流装备中的应用。器件串联运行的前提是单管器件的可靠驱动。为实现单管器件的可靠驱动,需明晰器件在多非线性参数、高速切换下的运行机理,从而指导电路参数设计。器件串联运行的核心挑战是器件间的电压失衡现象。为实现高速切换下串联SiC MOSFET的电压均衡,需突破经验化、粗放式的传统均压设计方法,立足于单个器件的开关瞬态尺度运行模型,自下而上地揭示多...
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 大功率电力电子装备现状及趋势
1.1.2 大容量功率器件发展现状
1.2 SiC功率MOSFET串联运行优势
1.2.1 导通电阻
1.2.2 成本优势
1.3 功率器件串联研究现状及挑战
1.3.1 IGBT器件串联研究现状
1.3.2 SiC功率器件研究现状
1.3.3 面临挑战
1.4 本文研究内容
1.4.1 计及非线性参数的大容量SiC MOSFET开关切换解析模型
1.4.2 SiC MOSFET高速驱动门极串扰电压建模及抑制方法
1.4.3 串联器件电压失衡机理分析及抑制方法研究
1.4.4 基于串联器件的10kV/200A功率模组性能评估分析
第2章 SiC MOSFET开关解析模型
2.1 高速切换过程的非理想参数及其建模处理
2.2 SiC MOSFET开关切换行为模型
2.2.1 开通过程建模
2.2.2 关断过程建模
2.2.3 开关损耗计算
2.3 模型对比及实验验证
2.3.1 双脉冲实验平台参数
2.3.2 提出模型与线性模型对比结果
2.3.3 不同工况下开通波形验证
2.3.4 不同工况下关断波形验证
2.3.5 开关损耗验证
2.4 本章小结
第3章 SiC MOSFET串扰电压抑制方法
3.1 SiC MOSFET驱动串扰电压建模
3.2 含共源极电感器件的串扰电压抑制方法
3.2.1 基于高关断阻抗的串扰电压抑制方法
3.2.2 驱动负压电平设计
3.3 共源极电感可忽略器件串扰电压抑制方法
3.4 仿真和实验验证
3.4.1 解析模型仿真验证
3.4.2 有共源极电感的串扰电压抑制方法验证及与传统方法对比
3.4.3 共源极电感可忽略的器件串扰电压抑制方法实验结果
3.5 本章小结
第4章 SiC MOSFET串联电压失衡机理与均压技术
4.1 SiC MOSFET串联运行电压失衡机理分析
4.1.1 器件串联电压失衡分类
4.1.2 器件串联电压失衡建模
4.1.3 器件串联电压失衡影响因素及均压思路
4.2 缓冲电容Csnub设计方法
4.3 基于耦合电感的驱动信号幅值控制均压方法
4.3.1 原理分析
4.3.2 参数设计
4.3.3 耦合电感布局
4.4 驱动信号延迟均压方法
4.5 仿真及实验验证
4.5.1 电压失衡模型验证
4.5.2 电压失衡影响因素实验结果
4.5.3 耦合电感均压方法实验结果
4.5.4 驱动信号主动延迟实验结果
4.6 本章小结
第5章 10k V/200A SiC功率模组性能评估
5.1 10k V/200A SiC功率模组模块设计
5.2 模块开关波形测试
5.2.1 开关波形
5.2.2 开关损耗
5.2.3 温度特性
5.2.4 均压效果
5.3 模组用于兆瓦级风机变流器损耗计算实例
5.3.1 系统架构
5.3.2 损耗计算流程
5.3.3 功率器件损耗计算结果
5.4 桥臂对拖实验验证
5.4.1 大功率对拖平台
5.4.2 全功率运行实验结果
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 论文工作总结
6.2 今后工作展望
参考文献
主要公式符号对照表
附录
攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利
本文编号：3764097
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 大功率电力电子装备现状及趋势
1.1.2 大容量功率器件发展现状
1.2 SiC功率MOSFET串联运行优势
1.2.1 导通电阻
1.2.2 成本优势
1.3 功率器件串联研究现状及挑战
1.3.1 IGBT器件串联研究现状
1.3.2 SiC功率器件研究现状
1.3.3 面临挑战
1.4 本文研究内容
1.4.1 计及非线性参数的大容量SiC MOSFET开关切换解析模型
1.4.2 SiC MOSFET高速驱动门极串扰电压建模及抑制方法
1.4.3 串联器件电压失衡机理分析及抑制方法研究
1.4.4 基于串联器件的10kV/200A功率模组性能评估分析
第2章 SiC MOSFET开关解析模型
2.1 高速切换过程的非理想参数及其建模处理
2.2 SiC MOSFET开关切换行为模型
2.2.1 开通过程建模
2.2.2 关断过程建模
2.2.3 开关损耗计算
2.3 模型对比及实验验证
2.3.1 双脉冲实验平台参数
2.3.2 提出模型与线性模型对比结果
2.3.3 不同工况下开通波形验证
2.3.4 不同工况下关断波形验证
2.3.5 开关损耗验证
2.4 本章小结
第3章 SiC MOSFET串扰电压抑制方法
3.1 SiC MOSFET驱动串扰电压建模
3.2 含共源极电感器件的串扰电压抑制方法
3.2.1 基于高关断阻抗的串扰电压抑制方法
3.2.2 驱动负压电平设计
3.3 共源极电感可忽略器件串扰电压抑制方法
3.4 仿真和实验验证
3.4.1 解析模型仿真验证
3.4.2 有共源极电感的串扰电压抑制方法验证及与传统方法对比
3.4.3 共源极电感可忽略的器件串扰电压抑制方法实验结果
3.5 本章小结
第4章 SiC MOSFET串联电压失衡机理与均压技术
4.1 SiC MOSFET串联运行电压失衡机理分析
4.1.1 器件串联电压失衡分类
4.1.2 器件串联电压失衡建模
4.1.3 器件串联电压失衡影响因素及均压思路
4.2 缓冲电容Csnub设计方法
4.3 基于耦合电感的驱动信号幅值控制均压方法
4.3.1 原理分析
4.3.2 参数设计
4.3.3 耦合电感布局
4.4 驱动信号延迟均压方法
4.5 仿真及实验验证
4.5.1 电压失衡模型验证
4.5.2 电压失衡影响因素实验结果
4.5.3 耦合电感均压方法实验结果
4.5.4 驱动信号主动延迟实验结果
4.6 本章小结
第5章 10k V/200A SiC功率模组性能评估
5.1 10k V/200A SiC功率模组模块设计
5.2 模块开关波形测试
5.2.1 开关波形
5.2.2 开关损耗
5.2.3 温度特性
5.2.4 均压效果
5.3 模组用于兆瓦级风机变流器损耗计算实例
5.3.1 系统架构
5.3.2 损耗计算流程
5.3.3 功率器件损耗计算结果
5.4 桥臂对拖实验验证
5.4.1 大功率对拖平台
5.4.2 全功率运行实验结果
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 论文工作总结
6.2 今后工作展望
参考文献
主要公式符号对照表
附录
攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利
本文编号：3764097
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