基于SiC MOSFET的直流固态变压器优化设计与可靠性评估

摘要

随着智能电网的快速发展，直流分布式电源和负荷的容量急剧增长，直流配电网的应用和示范，成为未来电网的一大关键技术特征。其中，直流固态变压器（DC Solid State Transformer，DC-SST），是直流配电网中的核心设备，主要用于电能的变换和传输，减少换流环节损耗，控制电能的双向流动，以及实现电气隔离。高效、高功率密度和高可靠，是DC-SST的发展趋势。宽禁带SiC功率器件凭借其优良的电热特性，能有效提升DC-SST的各项性能指标。本文以典型的双向双有源桥（Dual Active Bridge，DAB）拓扑为研究对象，围绕DC-SST的优化设计和运行可靠性评估展开研究，对比传统Si IGBT器件，基于理论分析、仿真结果和样机实验，验证了SiC MOSFET在DAB中的应用优势。本文主要内容如下：
　　①建立了DC-SST的小信号模型，基于DAB拓扑及其单移相调制方式，设计了电压闭环控制器，并利用仿真结果和样机实验结果，验证了控制算法准确性和有效性。通过DAB工作状态分析，建立了其传递函数模型，并设计闭环补偿器，对比了补偿前后的系统频响特性。参考实际直流配电网的干扰源，利用仿真结果，评估了电压闭环控制器应对变换器输入端电压含低频扰动，及输出端负载大幅度阶跃等系统抗干扰的能力。基于本文搭建的 DC-SST样机平台，使用实验结果，验证了DC-SST的抗干扰能力，及其电压闭环控制策略的有效性。
　　②针对DC-SST高效、高功率密度的需求，提出了DC-SST的优化设计方法，研究了高频变压器寄生参数的分布规律和控制方法，给出了辅助电感的优化整定方案，对比评估了SiC MOSFET和Si IGBT器件的静态和动态特性。基于Ap法，给出了变压器本体磁芯材料及尺寸的选型设计，基于ANSYS有限元分析，揭示了绕组漏磁场的分布规律，并给出了漏感最低的交错式绕组结构。此外，提出了DC-SST辅助电感的设计模型，以传输功率下限、器件电流应力上限、电流有效值上限作为边界条件规定有效工作区，从而确定不同 DC-SST工作频率下的辅助电感取值范围，并为样机工作点的选取提供依据。对比研究了功率器件的电学特性，针对相同功率等级的SiC MOSFET和Si IGBT，评测了不同结温下器件的阈值电压、输出特性和导通电阻等静态特性，以及不同驱动电阻下器件的开关速度、开关损耗等动态特性。搭建含直流电源和电子负载的测试平台，基于DAB电路拓扑，研制了3kW SiC直流固态变压器样机，功率密度3kW/L，最高工作效率达97％（50kHz时），最高工作频率达200kHz。
　　③针对DC-SST的应用可靠性，考虑器件的多源热耦合效应，基于功率器件的寿命模型，结合器件级的多物理场有限元分析，以及电路级的电热联合仿真，提出了DC-SST的可靠性评估模型。建立SiC MOSFET和Si IGBT器件的电-热-力多物理场耦合模型，基于 Anand结构模型建立焊层疲劳指标，使用 Morrow物理模型确定器件寿命，基于Coffin-Manson模型揭示结温波动与器件寿命的规律。通过加速寿命试验结果，验证了上述寿命模型的准确性。考虑到SiC DC-SST具有较高的功率密度，变换器中的功率器件之间，具有强烈的热耦合效应。为准确评估 DC-SST的可靠性，针对本文中的样机，基于有限元分析，建立了变换器系统的热耦合模型，有效提取出耦合热网络参数。针对典型日负荷曲线，计及多热源耦合效应，通过电热联合仿真，建立器件结温波动规律，基于雨流计数和器件寿命模型，计算得到DC-SST中的SiC MOSFET器件寿命为Si IGBT器件的4.47倍。因此，SiC器件应用于DC-SST，在配电网低负荷波动的工况下，可明显提升系统可靠性。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外相关研究现状

1.3 本文主要工作

2 DAB拓扑小信号建模与控制

2.1 DAB小信号建模

2.2 DAB电压闭环控制设计

2.3 DAB电压闭环扰动仿真分析

2.4 DAB负载扰动实验

2.5 本章小结

3 DAB直流固态变压器样机优化设计

3.1 固态变压器本体设计

3.2 DAB拓扑辅助电感标定

3.3 SiC MOSFET与Si IGBT动静态特性对比

3.4 固态变压器样机效率曲线数据采集

3.5 本章小结

4 计及热耦合效应的直流固态变压器用功率器件可靠性评估

4.1 SiC MOSFET与Si IGBT寿命对比评估

4.2 计及多热源耦合的DAB热网络模型

4.3 配电网直流固态变压器用功率器件寿命评估

4.4 本章小结

5 总结展望

5.1 工作总结

5.2 未来展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目