基于SiC MOSFET的高频逆变器动态性能优化研究

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辅助变流器是地铁车辆最重要的电气组成部分之一,随着SiC器件商业化应用,辅助变流器的轻量化有望大幅提升。本文针对SiC器件应用于车载变流器时的动态性能优化技术问题,围绕基于最低损耗点的驱动参数选择策略、低寄生电感功率回路设计技术展开了深入研究,并通过大量仿真、实验对理论研究成果进行了验证。建立考虑寄生参数影响的开关瞬态模型,推导SiC MOSFET开关瞬态的电气应力和开关损耗解析表达式,通过理论定性和仿真定量相结合,详细分析了驱动参数对开关行为的作用机理。针对驱动参数调节下电气应力和开关损耗之间的约束问题,提出了基于最低损耗点的驱动参数选择策略,通过驱动参数的协同匹配,实现了在维持电气应力恒定前提下的开关损耗最小化。针对温度对开通、关断过程影响相异的情况,提出了考虑温度补偿的驱动参数选择策略。寄生电感的可靠评估是优化设计的前提,本文从数学角度提出一种功率回路寄生电感评估模型,与实验测量误差低于1%。针对传统设计方法依赖经验和设计成本高的问题,提出了基于空间几何参数的多异结构母排解析模型和基于多约束条件的叠层母排设计方法。分析了吸收电容选型和布局对回路电感的影响,提出一种考虑容值、数量、寄生电感和器件特性等多自由度的吸收电容设计方法,实现了外电路杂散电感全吸收和寄生电感近似零引入。在Simplorer和Ansys Q3D仿真平台搭建了测试电路,同时完成基于SiC MOSFET的辅助逆变器样机研制。通过联合仿真、双脉冲测试实验和功率实验对上述关键技术的可行性和有效性分别进行了验证。图80幅,表23个,参考文献67篇。
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