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基于 SiC BJT 逆变器的研究

  • 发布日期:2018-10-09
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本文是一篇硕士电力工程论文,如果把我国的经济发展比作是“身体”,那么,电力工程建设无疑就是支撑身体灵活运动的“筋骨”。电力工程建设的不断推进就像是为筋骨提供了无限的能量,充沛的能量供应是身体各项机能有效运作的有力保障。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇硕士电力工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
与 Si 电力电子器件相比,SiC 器件耐压高、容量大、损耗低,被视为替代 Si 器件的新一代产品。基于 SiC 器件的逆变器应用于光伏发电、交通运输和电机驱动等领域,有助于推动电力电子装置的性能提升,满足新形势下对功率器件提出的新要求,研究 SiC器件在逆变器中的应用前景可观。
 
1.1 研究的背景及意义
在各种电力电子装置中,功率器件是最基本也最核心的部分,其性能直接决定了装置的性能和技术水平。随着工业技术的发展和能源结构转型的深入,要求电力电子装置具有更高的转换效率和功率密度,传统 Si 器件很难满足当代工业对功率器件的性能要求。SiC 材料具有优异的物理特性,适合制造耐高压、大功率、耐高温的功率器件[1]。SiC 器件具有功率容量大、开关速度快、损耗低、耐高温等优点,使用 SiC 器件可以很好地满足装置对性能和效率的要求,简化系统设计,实现系统小型化和轻量化。SiC 器件还能够胜任 Si 器件无法正常工作的恶劣条件,拓展了器件的应用范围。图 1-1 为 Si、SiC和 GaN 三种材料的物理特性对比。由于 SiC 器件在高压、高效率、小型化等应用领域很好地满足了市场需求,使用 SiC器件所产生的附加值获得了广泛肯定,市场对 SiC 器件的未来应用越来越有信心。随着器件成本下降,更多产品设计选择使用 SiC 器件,带来产品结构改善和性能提升的益处,提升了用户体验,SiC 器件的应用为电力电子技术的发展提供了新的契机。图 1-2 为 SiC与 Si 器件适用的电压等级[2]。目前市场化的 SiC 器件主要有 Diode、JFET、MOSFET、BJT 和 Thyristor 等,国际主要功率器件制造商都积极开展 SiC 产品的技术研发和应用测试,抢占新一代功率器件的前沿阵地。随着 SiC 器件制造技术的成熟和成本不断下降,SiC 器件的市场应用规模必然会越来越大。Yole 预测 2019 年以后 SiC 器件的市场需求将加速增长;预计到 2022 年,市场规模将增至 10 亿美元以上,2020~2022 年期间的复合年增长率(CAGR)可达 40%。图 1-3 为 Yole 公司按应用领域预测的 SiC 器件的市场规模[3]。
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1.2 SiC BJT 及其应用的研究现状
2001 年 SiC Diode 首先取得了市场应用,开启了 SiC 器件应用的先河。由于 SiC Diode很好地解决了 Si Diode 反向恢复电流大、功耗高的不利影响,在各种电力电子装置中都得到了广泛应用。SiC MOSFET 的市场应用呈现上升趋势,目前市场规模仅次于 SiCDiode,应用 SiC MOSFET 的装置功率密度和效率得到提高,在装置小型化和轻量化方面效果显著。尽管 SiC MOSFET 的阻断电压已经可以做到 10kV,但作为缺乏电导调制的单极型器件,进一步提高阻断电压面临着不可逾越的通态电阻问题,就像 1kV 阻断电压对于 Si MOSFET 面临的问题一样。在高压大电流(>7kV,>100A)领域 SiC BJT 和 SiC IGBT具有更大的发展空间。目前,大功率 SiC BJT 的制造技术已经成熟,成为最先实现市场化的双极型 SiC 功率器件[8]。
 
1.2.1 国外研究进展
自 2000 年首次报道阻断电压为 800V 的 4H-SiC BJT 以来,国外陆续报道了多种规格的 4H-SiC BJT[5],促进了 SiC BJT 制造技术的发展。2006 年,TranSiC 公司发布了两款SiC BJT 样品 BitSiC0620 和 BitSiC1206,该样品的工作温度达到 250℃,相比于 Si 技术而言,在芯片面积相同的情况下降低了 60%的通态功耗[9]。Cree、Fairchild 等公司也发布了SiC BJT 分立器件和模块样品。GeneSiC 公司自 2013 年发布第一代 SiC BJT 产品以来,目前已经发布了耐压 600-1700V,额定电流 10-160A 的一系列产品[7]。图 1-4 为 TranSiC 公司 BitSiC1206-247 和 GeneSiC 公司 GA100JT12-227 产品的外形封装。
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2 逆变电路原理
 
在社会生产的各种电源装置中,当需要由直流电源转换成交流电源时,或者在多级电源系统的中间环节需要由直流电源转换成交流电源时,通过逆变电路能够方便地实现两者的转换,从而得到符合要求的交流电源。
 
2.1 逆变系统的结构
逆变系统主要包括逆变电路及其保护、控制电路;逆变电路和控制电路是逆变系统的核心。典型的逆变系统结构如图 2-1 所示:逆变电路即 DC/AC 变换电路,由电力电子器件通过一定的拓扑结构组成。通过控制功率器件的开通与关断时刻,使逆变电路由直流输入转换成交流输出。逆变电路既可以直接把太阳能电池或燃料电池等直流电能转换为负载所需要的交流电能,如光伏逆变系统(CVCF 电源),也可以在多级电源系统中承担 DC/AC 变换任务,如交流调速系统(VVVF 电源)。逆变电路已经发展了多种形式,使用的功率器件更新换代很快,利用全控器件组成逆变电路是发展趋势。目前中小容量逆变电路中主要采用 MOSFET 和 IGBT 器件,随着宽禁带电力电子器件制造技术的突破,SiC 器件在各种电力电子装置中也得到了推广,在逆变电路中使用 SiC BJT 做为逆变器的主开关器件是本文讨论的重点。
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2.2 逆变主电路分析
本文以 SiC BJT 为研究对象,并在逆变电路中测试 SiC BJT 的工作性能,采用结构简单的逆变电路结构有利于减少周边电路对功率器件的影响,便于重点对 SiC BJT 开展研究。在常用逆变电路中,半桥逆变电路结构简单,控制电路易于实现,需要的开关器件少,是测试器件应用的理想电路。180°控制方式下输出电压为矩形波,且输出电压不可调节;通过谐波分析可知,输出交流电压中除了期望得到的基波频率外,谐波含量高,并且含有大量低次谐波。由于谐波成分对装置和电路元件的危害很大,且低次谐波不容易滤除,为了改善逆变电路输出波形的质量,减小谐波含量,简化滤波电路的设计难度,逆变电路中广泛使用 PWM 控制技术。基于 PWM 技术的逆变电路可以方便地调节输出电压,减小输出波形中的低次谐波含量,提高直流电压利用率[28]。
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3 功率器件的特性分析.....13
3.1 SiC BJT 的结构和工作原理...............13
3.2 SiC BJT 与 Si BJT 性能对比..............14
3.3 SiC BJT 与 Si IGBT 性能对比 ...........18
3.4 SiC BJT 与 SiC MOSFET 性能对比...............20
3.5 小结 .............22
4 SiC BJT 半桥逆变系统设计 ........23
4.1 系统的总体结构 ......23
4.2 逆变主电路设计 ......23
4.3 SiC BJT 驱动电路设计..........25
4.4 波滤电路设计 .......... 34
4.5 控制电路设计 .......... 36
4.6 小结 ............. 38
5 SiC BJT 逆变器的损耗分析和实验 ......... 39
5.1 逆变电路的损耗构成 ........... 39
5.2 逆变电路通态损耗计算 ....... 41
5.3 逆变电路开关损耗计算 ....... 46
5.4 逆变电路损耗分析 ............... 49
5.5 实验结果 ..... 51
5.6 小结 ............. 54
 
5 SiC BJT 逆变器的损耗分析和实验
 
损耗是器件选型的重要参考指标,对系统设计和装置性能都有重要影响。本章利用电路仿真对 SiC BJT 逆变电路的损耗进行定量计算,在相同条件下与 SiC MOSFET 逆变电路的损耗进行综合比较;搭建 SiC BJT 逆变器实验平台并对逆变器的实验波形和损耗进行测量和分析。
 
5.1 逆变电路的损耗构成
逆变电路通常由一个或多个半桥电路组成。根据逆变电路的工作原理,感性负载情况下,开关器件开通时对应着续流二极管的关断过程;开关器件关断时对应着续流二极管的开通过程。因此,逆变电路的损耗主要包括开关器件和续流二极管的损耗。逆变电路的损耗构成如图 5-1 所示,通常开关器件的截止损耗和二极管的开通损耗较小,可以忽略[27]。在制造商提供的技术手册中,通态电阻通常为某一温度时在指定驱动方式下器件通过额定电流时的阻值。在工程实践中计算通态损耗时,一般采用将功率器件在某个静态工作点的电阻近似为功率器件的通态电阻进行粗略估算[44][45],这种近似计算方法对于逆变电路并不准确。实际上功率器件的通态电阻 RCE_on、RD_on与其工作电流、工作温度以及驱动条件都有直接关系,在逆变器应用中,其驱动方式和工作结温通常都已经确定或达到稳态,最大的不同点在于一个周期内器件的通态电流随着逆变器的输出电流的变化而变化,使用制造商提供的通态电阻参数无法准确计算逆变电路的通态损耗。通过功率器件的输出特性曲线用电路仿真的方法可以精确计算出逆变电路的通态损耗。器件的输出特性曲线反映了不同驱动电压、温度下,器件的通态电流与通态压降之间的关系,由器件的输出特性曲线可以得到通态压降与电流的离散值,经过公式(5.2)换算后可以得到通态电流对应的通态电阻的离散值;在 MATLAB 中通过曲线拟合的方法建立通态电阻与电流的函数关系式后,使用电路仿真的方法以工作电流为变量可以准确地计算出逆变电路的通态损耗。
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总结
 
本文以 SiC BJT 作为研究对象,对 SiC BJT 在逆变器中的应用进行了探索性研究,分析了 SiC BJT 的特性及其在单相半桥逆变器中的工作情况。在对 SiC BJT 的特性充分研究的基础上,设计了 SiC BJT 的驱动电路和半桥逆变系统。论文完成的主要工作如下:
(1) 通过仿真对 SiC BJT 的特性进行了全面分析,并与目前主流功率器件进行了比较。SiC BJT 克服了 Si BJT 的性能缺陷,放大倍数大且不存在二次击穿,具有耐高压、大功率、高频工作特性;同等级的器件中 SiC BJT 的通态电阻最低,在高压大电流 (>7kV,>100A)应用领域中更有优势。
(2) 采用双电源拓扑结构设计了 SiC BJT 的驱动电路,测试了 SiC BJT 的开关性能。使用LTspice软件对SiC BJT驱动电路进行了仿真分析并设计了SiC BJT的高速驱动电路,分析了影响驱动电路的主要因素和注意事项;通过双脉冲实验测试了 SiC BJT 的动态特性波形,其开通和关断时间均小于 100ns,理论上可以进行 500kHz 以上的高频操作。
(3) 使用 DSP 作为控制器设计了半桥逆变电路的控制电路。基于双极性 PWM 控制技术,使用 TI 公司 TMS320F2812 DSP 编写和调试了最高开关频率为 50kHz 的 SPWM 控制信号程序。SPWM 波的死区时间设计为 2.13μs,增强了逆变器的输出能力。
(4) 分析了 SiC BJT 半桥逆变电路的功率损耗,并与 SiC MOSFET 逆变电路的损耗进行了对比。通过 PSIM 仿真电路计算了 SiC BJT 逆变电路的损耗,其通态损耗随温度升高而增大,开关损耗受工作温度影响较小;同等条件下 SiC BJT 逆变电路比 SiC MOSFET逆变电路的损耗小。随着开关频率增大,逆变电路的总损耗随之增大,其中通态损耗变化较小,开关损耗增大并逐渐成为损耗的主要部分。
(5) 对逆变系统进行了整体设计和参数计算,完成了以 SiC BJT 为主开关器件的实验平台搭建。测试了实验平台在不同开关频率下的工作情况,实验平台工作稳定,输出波形与理论分析一致。对 SiC BJT 逆变器在 20kHz、40kHz、50kHz 开关频率下的损耗进行了测试,实验结果表明逆变器的损耗随着开关频率增大而增大,实验损耗与仿真损耗的相对大小比较吻合。
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参考文献(略)
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