SiC MOSFET的损耗分析和基于半桥逆变器的应用研究

摘要

制约现代电力电子变换器性能的因素很多，其中一个方面便是电力电子器件性能的制约。以传统的逆变技术为例，在大功率应用场合下，由于Si MOSFET的导通电阻较大，造成系统的导通损耗较大。并且由于桥式电路需要利用器件体二极管进行续流，二极管的反向恢复问题是限制开关频率的重要因素。较低的开关频率导致网侧滤波器的体积很大。在相同的耐压条件下，新型的SiC MOSFET具有更低的导通电阻。相比于传统的Si MOSFET，新型SiC MOSFET还具有高禁带宽度，高击穿临界场强，高饱和电子漂移率及高导热系数等特点。它的出现为电力电子技术提供新的契机。
　　本文首先对SiC MOSFET与Si MOSFET、Si IGBT的特性进行对比，突出了SiC MOSFET在大功率应用场合下的优势。分析了驱动电阻及寄生电感对器件的性能影响。对器件的可靠性进行分析并提出SiC MOSFET的驱动电路要求。对GE公司生产的SiC MOSFET GE12N20L(1200V/20A)进行了特性研究。通过在25℃及125℃下的双脉冲测试实验，证实了其反向恢复情况佳、开关损耗小等若干优势。
　　其次，本文详细描述了基于SiC MOSFET的半桥逆变器在开关周期内不同阶段下的开关状态，进而对基于SiC MOSFET的半桥逆变器进行了损耗分析。为评估系统效率及损耗分布提供依据。
　　最后，搭建2kW基于SiC MOSFET的半桥逆变器平台。使器件工作在不同开关频率及温度下，通过对比实验证明了SiC MOSFET在高频及高温下仍能使系统保持高效的优势。同时证明了对于系统损耗分析的准确性。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 逆变器研究背景

1．1．2 逆交器开关管器件选择

1．2 SiC器件概况

1．3 国内外研究现状

1．4 本课题主要研究内容

第2章 SiC MOSFET性能

2．1 SiC MOSFET与Si MOSFET、Si IGBT性能对比

2．1．1 导通电阻

2．1．2 跨导

2．1．3 栅极驱动电荷

2．1．4 体二极管

2．1．5 寄生电容

2．2 驱动电阻及寄生电感对器件性能影响

2．2．1 驱动电阻对器件性能的影响

2．2．2 寄生电感对器件性能的影响

2．3 器件的可靠性分析

2．4 SiC MOSFET对驱动电路的要求

2．5 双脉冲测试实验

2．5．1 双脉冲测试实验原理

2．5．2 SiC MOSFET器件特性测试

2．5．3 温度对SiC MOSFET性能的影响

本章小结

第3章 基于SiC MOSFET半桥逆变器研究

3．1 基于SiC MOSFET半桥逆变器的工作原理

3．1．1 基于SiC MOSFET半桥逆交器拓扑结构

3．1．2 基于SiC MOSFET半桥逆交器调制方式

3．2 基于SiC MOSFET半桥逆变器的损耗分析

3．2．1 SiC MOSFET开关损耗

3．2．2 SiC MOSFET导通损耗

3．2．3 SiC MOSFET体二极管导通损耗

3．2．4 驱动损耗

3．2．5 电感损耗

3．2．6 直流母线电容损耗

本章小结

第4章 基于SiC MOSFET半桥逆变器实验

4．1 基于SiC MOSFET的半桥逆变器设计

4．1．1 SiC MOSFET器件选择

4．1．2 滤波器设计

4．1．3 补偿环节设计

4．2 基于SiC MOSFET半桥逆变器实验结果

4．2．1 不同开关频率下对比实验

4．2．2 不同工作温度下对比实验

本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文