三相逆變器廣泛應用于風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、不間斷電源、電動汽車、軌道交通和變頻器等場合。近年來,SiC MOSFET器件因其優(yōu)越的性能受到關(guān)注。然而,當工作頻率高于50kHz時,SiC MOSFET的開關(guān)損耗隨開關(guān)頻率的增加亦快速增長,SiC MOSFET三相逆變器的效率迅速下降。為進一步提升SiC MOSFET三相逆變器的效率和功率密度,軟開關(guān)技術(shù)是一種值得探討的方案。本文研究了零電壓開關(guān)技術(shù)對SiC MOSFET三相逆變器的效率和功率密度的影響。開展了基于SiC MOSFET器件的硬開關(guān)三相逆變器和零電壓開關(guān)三相逆變器的比較研究。對兩種SiC三相逆變器在不同開關(guān)頻率下的損耗分布、無源元件體積進行了對比,并提出了效率硬度的概念以衡量不同逆變器的高頻工作特性。分別建立了額定功率20kW的SiC MOSFET硬開關(guān)三相逆變器和SiC MOSFET零電壓開關(guān)三相逆變器實驗模型,對理論分析進行驗證。理論分析和實驗均表明,在相同的效率水平下,SiC零電壓開關(guān)三相逆變器可以工作于更高的開關(guān)頻率并獲得更高的功率密度。為減小SiC MOSFET零電壓開關(guān)三相逆變器開關(guān)器件的電壓應力,本文分析了零電壓開關(guān)三相逆變器的關(guān)鍵換流回路,建立了主開關(guān)直通階段結(jié)束時關(guān)斷引起的回路振蕩的數(shù)學模型,提出了低寄生電感七開關(guān)SiC功率模塊的方案,研制了七開關(guān)SiC功率模塊,并將其應用于零電壓開關(guān)三相逆變器實驗模型進行了驗證,實驗表明七開關(guān)SiC功率模塊可以有效抑制主開關(guān)器件電壓應力。論文還介紹了諧振電感的優(yōu)化設計,通過采用分布式氣隙和優(yōu)化繞組厚度可以有效減小諧振電感損耗。為提升傳統(tǒng)硬開關(guān)三相四線制逆變器的效率,本文提出了零電壓開關(guān)正弦脈寬調(diào)制方法�；跇虮凵稀⑾鹿艿膿Q流特性以及三相橋臂輸出電流極性,提出了適用于不同輸出電流極性組合的統(tǒng)一零電壓開關(guān)正弦脈寬調(diào)制方法。結(jié)合電路工作過程,推導了零電壓開關(guān)三相四線制逆變器中三相主開關(guān)和輔助開關(guān)的零電壓開關(guān)條件,并詳細分析了幾種典型負載情況下的零電壓開關(guān)條件。建立了基于SiC MOSFET器件的硬開關(guān)三相四線制逆變器和零電壓開關(guān)三相四線制逆變器損耗模型,結(jié)合諧振參數(shù)設計,對兩種SiC三相四線逆變器在不同開關(guān)頻率下的損耗分布進行了分析和對比。搭建了 SiC MOSFET零電壓開關(guān)三相四線制逆變器實驗模型并進行了實驗驗證,實驗表明零電壓開關(guān)正弦脈寬調(diào)制方法可以實現(xiàn)所有主開關(guān)和輔助開關(guān)的零電壓開通,并顯著提高三相四線制逆變器的效率。最后對本文的工作進行了總結(jié),簡述了本文的主要貢獻,并對后續(xù)工作作出展望。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM464
【部分圖文】：

選擇目前主流的１２００Ｖ／４０Ａ的ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ器件和Ｓｉ?ＩＧＢＴ器件進行進一步的性能??對比，ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ器件為Ｗｏｌｆｓｐｅｅｄ公司的Ｃ２Ｍ００４０１２０Ｄ，?Ｓｉ?ＩＧＢＴ為英飛凌科技的??ＩＫＷ４０Ｎ１２０Ｔ２ｔ３８］［３９］。圖１．６所示為２５°Ｃ結(jié)溫時兩種器件的靜態(tài)特性對比，圖１．６?（ａ）所??示為第一象限通態(tài)壓降匕，（或飽和壓降Ｕ與漏極電流厶（或集電極電流厶）的關(guān)系，??圖１．６?（ｂ）聽示為第三象限通態(tài)壓降（或反并聯(lián)二極管正向壓降＆）與漏極電流心（或??反并聯(lián)二極管正向電流人）的關(guān)系。在第一象限，顯然ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ相比ＳｉｌＧＢＴ具有更??小的通態(tài)壓降，隨著漏極電流的增大，兩者的通態(tài)壓降逐漸接近。在第三象限，雖然ＳｉＣ??ＭＯＳＦＥＴ體二極管的正向?qū)▔航颠h遠大于Ｓｉ?ＩＧＢＴ的體二極管的正向?qū)▔航�，但當�??工作于同步整流模式時，ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ體二極管的正向?qū)▔航笛杆贉p小，其壓降小于Ｓｉ??ＩＧＢＴ體二極管的正向?qū)▔航怠??６??

圖１．６ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ與ＳｉｌＧＢＴ靜態(tài)特性對比（２５°Ｃ結(jié)溫）：（ａ）第一象限靜態(tài)特性；（ｂ）??第三象限靜態(tài)特性??圖１．?７所示為８０°Ｃ結(jié)溫時兩種器件的開關(guān)特性對比。采用為雙脈沖測試電路，驅(qū)動??電阻均為５Ｑ，直流電壓６００Ｖ，電流４０Ａ。顯然，ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ相比ＳｉｌＧＢＴ，具有開關(guān)??速度更快、反向恢復更小、無拖尾電流等特點。ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的開通損耗約為ＳｉｌＧＢＴ的??四分之一，而其關(guān)斷損耗甚至都不到ＳｉｌＧＢＴ的十分之一。另一方面，ＳｉｌＧＢＴ的開通損??耗與關(guān)斷損耗比較接近，而ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的開通損耗遠大于其關(guān)斷損耗。??５００?＼?／?（ＩＤＡ?ｒｌｉｙ）?６０??４００?＼?＇?５０??＼?４０??Ｅｏｆｆ＝?／＾＼?，?Ｐｏｗｅｒ｛１０ｋＶＡ！ｄｉｖ）??２００?／?＼ｊｒ??１００?３．０４ｍＪ／?＇Ａ?＾??ｆ?、、？－??１００ｎｓ！?ｄｉｖ??（ａ）??：齡）?７；??５００?＇一＼?６０??４００?ｌ?／；?｛１０?Ａｔ?ｄｉｖ）?５〇??３００??３０??２００?Ｅｏｎ＝?Ｐｏｗｅｒ?（１?ＯｋＶＡ／ｄｉｖ）?２０??■?０．７８ｍＪ?／?ｉｏ??〇?－?－?？?—?Ｊ??????〇??？１００?１００ｎｓｌ?ｄｉｖ?＿１０??（ｂ）??７??

片（Ｂａｒｅ?Ｄｉｅ）源極單獨連接，盡量避免連接在距離芯片源極較遠的功率路徑上。近年來，??很多研究提出了減小驅(qū)動回路、功率回路寄生電感的新型全ＳｉＣ功率模塊封裝方案［４５］－［５３］。??富士電機提出了銅針與ＰＣＢ結(jié)合的封裝方案［４５］＿［４９］，該功率模塊的剖面結(jié)構(gòu)如圖１．?９??所示。新方案撰棄了?Ｂｏｎｄｉｎｇ線而采用銅針和柔性電路板代替，極短的銅針連接ＳｉＣ功率??芯片與柔性電路板，同時功率回路在柔性電路板上下層形成鏡像，以此減小整個功率回路??的寄生電感。相比傳統(tǒng)的ｂｏｎｄｉｎｇ線封裝，新封裝的開關(guān)損耗降低了?２０％，而功率回路寄??生電感降低了?８０％，新封裝的功率回路寄生電感（包含功率端子）約為１２ｎＨ。??硅凝膠?ＤＢＣ基板??＼＾ｄｉｎｇ＾芯片＾功率端子??陶瓷基片銅基板??（ａ）??柔性電路板??銅ｆｔ?／??環(huán)氧樹脂＼?ｙ?功率端子??ｎｎ￣?＼?／?Ｉ??ｈ?厚銅層???＼?Ｎ??ＤＢＣ基板?Ｓｉ３Ｎ４陶瓷基片??（ｂ）??圖１．９富士電機提出的封裝方案：（ａ）傳統(tǒng)Ｂｏｎｄｉｎｇ線封裝方案；（ｂ）新封裝方案??文獻［５１］提出了一種雙面散熱結(jié)構(gòu)的封裝方案。圖１．?１０?（ａ）所示為半橋橋臂內(nèi)部芯片??間的連接方式和回路電流路徑：Ｐ－ｓｉｄｅ散熱塊（ＨｅａｔｓｐｒｅａｄｅｒｏｆｔｈｅＰ－ｓｉｄｅ）替代ＤＢＣ并與??兩個芯片的漏極相連，米用Ｎ－ｓｉｄｅ散熱塊（Ｈｅａｔ?ｓｐｒｅａｄｅｒ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｎ－ｓｉｄｅ）替代Ｂｏｎｄｉｎｇ線并??與兩個芯片的源極相連，上管芯片源極連接的Ｎ－ｓｉｄｅ散熱塊通過中間夾層與下管芯片漏極??連接的Ｐ－ｓｉｄｅ散熱塊相連
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本文編號：2867644