三相脉宽调制(PWM)整流器具有能量双向流动,功率因数灵活可控,电网侧电流正弦化,高质量直流电压等优点,被广泛地应用到可再生能源发电、高性能电机驱动等领域中。传统的PWM整流器单矢量模型预测直接功率控制开关频率不固定,电流总谐波失真高,为了取得更好的性能,需要更高的采样频率,从而耗费大量的计算时间。第三代宽禁带功率器件碳化硅金属氧化物场效应管(SiC MOSFET)可以大幅度提高PWM整流器的功率密度和效率,但功率器件的特性导致过流、短路故障处理难度增大。本文以提高PWM整流器控制性能及装置可靠性为研究目的,对基于模型预测的PWM整流器控制方法、SiC MOSFET的特性与保护进行了深入研究,主要工作和创新点包括:(1)针对传统的PWM整流器单矢量模型预测直接功率控制算法复杂,计算量大,电流谐波含量高的问题,提出一种改进的模型预测直接功率控制方法,仿真和实验验证了提出的方法的有效性。该方法在一个控制周期采用一个非零矢量和零矢量组合,采用优化的方法计算矢量作用时间,相比于传统单矢量模型预测控制,该方法计算量小,并降低了电感、电阻等参数变化对控制产生的影响。可以在更低的采样频率下获得与传统单矢量模型预测控制相似的动态性能,在相同采样频率下,网侧电流总谐波畸变和功率波动更低。(2)SiC MOSFET输出电流具有温度敏感性,在SiC MOSFET构建的PWM整流器中,传统的静态过流保护无法根据温度实时调节保护阈值,无法充分利用功率器件的效能,甚至出现保护失效。针对以上问题本文提出了一种变温度过流保护方法,并通过实验验证了方法的有效性。首先提取并拟合了 SiC MOSFET的最大电流、最大功耗等参数的变温度特性,然后设计了变温度过流保护电路和算法,实时采集壳温,根据壳温与最大电流的关系实时调整过流保护阈值,实现SiC MOSFET的变温度过流保护。实验表明,该方法相比于传统的静态过流保护,在提高PWM整流器的可靠性同时有效地提高了功率器件的利用率。(3)针对SiC MOSFET构建的PWM整流器半桥互补功率器件发生直通短路故障时,短路时间快、短路电流大,保护难度大的问题,提出了一种基于门极电压检测的SiC MOSFET直通短路保护方法,通过检测半桥互补SiC MOSFET的门极电压判断是否发生直通短路。实验表明,保护电路可以在0.2 μs内检测到短路故障并关闭功率器件,相比于退饱和短路保护,具有响应时间快,短路电流小的特点,对现有的平面栅和沟槽栅型SiC MOSFET均可提供有效的保护。提出的直通短路保护与VDS(ON)检测保护配合使用,可以实现PWM整流器的多种短路、过流保护,有效地提高装置的可靠性。