基于SiC MOSFET的微弧氧化脉冲电源研究

摘要

微弧氧化脉冲电源是微弧氧化工艺中的关键设备，同时也是影响和制约微弧氧化技术发展的关键因素。然而，现阶段微弧氧化脉冲电源自身存在一些不足，且对于该电源性能改善的研究较少。基于此背景，本文研制了一台微弧氧化脉冲电源样机，电源主电路采用有源箝位 PS-FB-ZVZCS变换器，控制方式采用二阶PWM滑模电压型控制，开关器件选用SiC MOSFET，基于该样机对微弧氧化脉冲电源的桥臂串扰效应、脉冲负载适应性等性能进行研究。
　　针对全桥变换器副边输出整流二极管上存在严重寄生振荡的问题，采用了一种在功率变压器副边加入有源箝位环节的措施，同时实现了滞后臂开关管的ZCS与输出整流二极管寄生振荡的抑制。本文分析了变换器软开关的实现原理；建立了变换器及二极管等效电路模型，详细分析了副边寄生振荡的产生和抑制机理，讨论了几个关键参数对寄生振荡抑制效果的影响并给出设计原则。
　　针对桥臂电路中SiC MOSFET高频动作引起的串扰效应问题，详细分析了移相控制的变换器中SiC MOSFET的工作条件和开关情况，分别对超前臂和滞后臂上串扰效应的解析表达式进行了推导，得出了超前臂串扰效应非常轻微、滞后臂只存在正向串扰电压的结论。在此基础上，采用了一种有源米勒箝位电路对桥臂串扰效应进行有效抑制，完成了SiC MOSFET驱动电路的设计。
　　针对脉冲负载的阶跃变化对前级变换器输出电压稳定性提出的要求，提出了两项改善前级变换器脉冲负载适应性的措施：通过改进主电路结构和空载时封锁 PWM驱动信号，消除前级变换器的空载过压现象；通过采用二阶 PWM滑模电压型控制策略，提高前级变换器的动态响应速度和稳定性。并通过PSIM仿真分析验证了所提措施的有效性。
　　在理论分析及仿真验证的基础上，制作了一台输出6kW/300V、开关频率50kHz的实验样机，对上述研究内容分别进行了实验验证。实验结果表明了采用所提方法可以达到设计指标要求，验证了理论分析的正确性。

目录

第1章 绪 论

1.1 研究目的和意义

1.2 输出整流二极管寄生振荡抑制的研究现状

1.3桥臂电路中SiC MOSFET串扰效应抑制的研究现状

1.4 变换器脉冲负载适应性的研究现状

1.5 主要研究内容

第2章 全桥软开关变换器副边寄生振荡的分析与抑制

2.1 主电路拓扑及变换器软开关分析

2.2 输出整流二极管寄生振荡抑制分析

2.3 关键参数的影响及设计原则

2.4 本章小结

第3章桥臂电路SiC MOSFET串扰效应的分析与抑制

3.1 桥臂电路中的串扰效应

3.2 所采用拓扑中桥臂串扰效应分析

3.3可抑制串扰效应的SiC MOSFET驱动电路设计

3.4 本章小结

第4章 改善前级变换器脉冲负载适应性的措施

4.1 前级变换器的脉冲负载适应性

4.2 改进主电路拓扑结构解决满载-空载切换中的问题

4.3 采用二阶 PWM 滑模电压型控制策略解决空载-满载切换中的问题

4.4 本章小结

第5章 系统实现及实验分析验证

5.1 系统主电路参数与器件选型

5.2 软开关及副边寄生振荡抑制的实验验证

5.3 桥臂串扰效应抑制的实验验证

5.4 改善前级变换器脉冲负载适应性的实验验证

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢