SiC功率器件特性及其在逆变器中的应用研究

摘要

逆变器作为航空静止交流器中的重要环节，正朝着高效率和高功率密度方向发展。提高开关频率是提高变换器功率密度的重要途径，但是传统的Si器件在开关频率提高的同时会带来开关损耗增加的问题。新型SiC器件工作频率高、阻断电压高，同时开关损耗和通态比电阻较低，为实现更高效率，更高功率密度逆变器提供了一种新的解决方案。尽管SiCMOSFET与SiMOSFET相比是一个卓越的开关管，但不能理解为它能够对现有的硅器件的应用进行一个直接插入式的替换，需要仔细的研究才能从SiCMOSFET器件中获得最优的性能。
　　本文首先对Cree公司的SiC肖特基二极管C3D10060(600V/10A)和SiCMOSFETCMF10120D(1200V/10A)进行了特性的研究。对SiCMOSFET和SiMOSFET的静态特性进行了对比，归纳总结出SiCMOSFET区别于SiMOSFET的特性以及这些特性对电路的需求和带来的优势。在斩波电路中，对SiC肖特基二极管的反向恢复特性进行了测试和分析，给出不同开关频率、不同驱动电阻情况下SiCMOSFET的开关特性，并对开关管应力和高频寄生振荡问题进行了阐述。
　　针对SiCMOSFET应用于高频逆变器中相关问题进行了研究，如驱动电路，高频寄生参数，EMI问题等。建立了逆变器损耗模型，针对损耗分布图，在提升逆变器效率方面作了研究。
　　最后研制了一台1kVA单相全桥逆变器实验平台，给出详细硬件电路设计过程。对使用全Si器件（SiMOSFET与寄生体二极管组合），混合器件（SiMOSFET与外并SiC肖特基二极管组合）和全SiC器件（SiCMOSFET与外并SiC肖特基二极管）的逆变器在效率方面进行了对比，结果验证了全SiC器件逆变器在效率方面的优势。

目录

摘要

注释表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 航空静止变流器性能概述

1．1．2 SiC材料性能简述

1．2 SiC器件及其应用研究现状

1．2．1 SiC器件国外研究现状

1．2．2 SiC器件应用国外研究现状

1．2．3 SiC器件及其应用国内研究现状

1．3 SiC功率器件应用于逆变器中的关键问题

1．3．1 逆变器高频工作损耗及效率

1．3．2 逆变器高开关频率工作的影响

1．4 本课题研究意义和内容

第二章 基于SiC功率器件的单相逆变器研究

2．1 逆变器原理分析

2．1．1 逆变器主电路拓扑

2．1．2 逆变器控制方式

2．2 SiC功率器件与Si功率器件特性对比

2．2．1 绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)

2．2．2 SiC二极管与Si二极管的对比

2．2．3 SiC MOSFET与Si MOSFET的对比

2．2．4 斩波电路中SiC功率器件特性测试

2．3 SiC功率器件在高频逆变器中的应用

2．3．1 SiC MOSFET驱动电路

2．3．2 逆变器损耗模型建立

2．3．3 高频EMI问题

2．4 本章小结

第三章 1kVA SiC逆变器的设计

3．1 主功率电路设计

3．1．1 功率器件选取

3．1．2 输出滤波电路设计

3．2 控制及保护电路设计

3．2．1 控制电路设计

3．2．2 保护电路设计

3．3 驱动电路设计

3．4 本章小结

第四章 逆变器的制作及实验结果分析

4．1 采用全Si器件实验结果

4．1．1 全Si器件逆变器实验平台

4．1．2 全Si器件逆变器波形测试结果与分析

4．2 采用混合器件实验结果

4．2．1 混合器件逆变器实验平台

4．2．2 混合器件逆变器波形测试结果与分析

4．3 采用全SiC器件实验结果

4．3．1 全SiC逆变器实验平台

4．3．2 全SiC器件逆变器波形测试结果与分析

4．4 三种不同器件组合的效率比较

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文工作总结

5．2 后续工作展望

参考文献

致谢

在学期间发表的论文及参与完成的项目