面向NPC三电平变换器的SiC MOSFET桥臂串扰与振荡抑制研究

作     者：林铭恩 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：伍小杰

授予年度：2021年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：SiC MOSFET 桥臂串扰与振荡抑制 驱动参数设计 NPC三电平测试 

摘      要：为了提高功率开关器件的工作频率,降低开关损耗,从而提升二极管中点钳位型(Neutral Point Clamped,NPC)三电平变换器功率密度和效率,可以通过在NPC三电平变换器中添加谐振电路等软开关技术来实现。但软开关技术存在较大的电压应力和电流应力、控制复杂和系统成本较高等问题,制约了其在高压大功率变换器中的应用。因此,国内外研究学者开始研究宽禁带器件在NPC三电平变换器中的应用,利用宽禁带器件的高开关频率、低开关损耗等优势,提升NPC三电平变换器的性能,并应用到光伏发电、风力发电、不间断电源、电推进飞机等高压大功率场合。其中,SiC MOSFET因其具有开关速度快、导通电阻低、阻断电压高、耐高温等器件优势,逐渐在高效率、高功率密度与高温等场合取代传统的Si IGBT。然而,在高速开关过程中,由于SiC MOSFET寄生参数、功率电路及驱动电路寄生电感等非理想因素引起的桥臂串扰和栅源电压振荡严重制约了SiC MOSFET的开关速度。因此,在功率开关器件为SiC MOSFET的NPC三电平变换器中,针对在高工作频率下能够有效抑制桥臂串扰和栅源电压振荡的SiC MOSFET驱动方案设计具有重要意义。本文针对以下内容进行了研究:(1)由于NPC三电平桥臂电路需要同时考虑四个SiC MOSFET的开关情况及相互作用,直接设计SiC MOSFET驱动的难度较大,因此,本文首先通过只含两个SiC MOSFET的两电平桥臂电路来简化分析桥臂串扰和栅源电压振荡。然后,针对基于推挽式电容辅助电路(push-pull-capacitor auxiliary circuit,PPCAC)的SiC MOSFET驱动方案进行研究,提出了一种驱动参数设计方法,即分别建立数学模型对该方案中的推挽电容充放电时刻、串扰电压峰值与推挽电容的关系、驱动回路LCR谐振、栅源电压振荡等关键技术参数进行设计,在有效抑制桥臂串扰和栅源电压振荡的前提下,提高SiC MOSFET的开关速度。最后,在两电平电路双脉冲测试平台上实验验证了PPCAC驱动参数设计的合理性。(2)为了测试NPC三电平电路中PPCAC驱动及其驱动参数设计方法对抑制桥臂串扰和栅源电压振荡的有效性,本文先由传统双脉冲测试方法拓展至NPC三电平电路两管动作双脉冲测试和四管动作双脉冲测试。在SiC MOSFET高速开关过程中,NPC三电平桥臂电路内外管漏源电压会出现不均衡现象,并且由于功率回路存在寄生电感,各开关管的漏源电压也会产生过冲,这些漏源电压变化将通过米勒电容耦合至驱动回路,严重影响了SiC MOSFET栅源电压及其驱动设计,因此,本文在NPC三电平桥臂电路各开关管漏源极之间并联一个RCD缓冲电路来抑制桥臂电路内外管漏源电压不均衡和漏源电压过冲。最后,本文在四管动作双脉冲测试中,分析PPCAC驱动及其驱动参数设计方法对抑制NPC三电平桥臂串扰和栅源电压振荡的效果,并对比了传统驱动和PPCAC驱动的开关速度。(3)本文设计并搭建了全SiC器件NPC三电平逆变器平台,并在该平台上进行四管动作双脉冲测试实验,验证了PPCAC驱动方案及驱动参数设计方法同样可以有效抑制NPC三电平SiC MOSFET桥臂串扰和栅源电压振荡。