Si IGBT与SiC MOSFET逆变器并联一体化电源功率分配优化及应用

作     者：祝芳莹 

作者单位：温州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戴瑜兴

授予年度：2022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：Si IGBT SiC MOSFET 逆变器并联 一体化电源 电流配比 功率分配 

摘      要：近年来,日益复杂的应用环境和工况对逆变电源的容量、功率密度、可靠性、稳定性及性价比等方面提出了更为苛刻的要求。作为逆变电源核心的功率半导体器件,在很大程度上决定着逆变电源装置性能的好坏。由于不同功率器件的性能或成本均受其自身材料的限制,因此基于Si IGBT的逆变电源或基于SiC MOSFET的逆变电源均难以实现电源性能和成本的折衷,限制了基于单一功率器件逆变电源的应用及大规模产业化发展。因此,为了克服基于单一功率器件逆变电源的局限性,本文采用了由大容量Si IGBT逆变器与小容量SiC MOSFET逆变器并联组成的逆变电源的拓扑结构,构建了Si IGBT与SiC MOSFET逆变器并联一体化电源装置(简称为拓扑混合并联一体化电源)。然而,由于拓扑混合并联一体化电源还面临着缺乏器件最优电流配比研究、功率分配优化方案尚不成熟等关键技术难题,将严重制约了并联一体化电源的高质量发展与应用。为了有效解决科学问题,本文将针对这两个方面进行深入研究,并搭建Si IGBT与SiC MOSFET逆变器并联一体化电源实验平台,为逆变电源提供一种高性能和高性价比电源的解决方案。本文的主要研究工作和创新点如下:(1)针对拓扑混合并联一体化电源缺乏器件最优电流配比研究的科学难题,本文选取了四种不同电流配比的Si IGBT与SiC MOSFET的器件组合,通过实验分别分析了不同电流配比对拓扑混合并联一体化器件成本、器件结温及电源效率的影响并进行曲线拟合。最后,计算了不同电流配比下拓扑混合并联一体化电源的差额投资回收年限和额外收益,并综合考虑成本、结温以及效率等影响因素,对曲线拟合式进行近似多目标优化求解,获取了2:1的器件最优电流配比,实现了拓扑混合并联一体化电源的高性能和高性价比的应用需求。(2)针对拓扑混合并联一体化电源功率分配方案尚不成熟的科学难题,本文设计了拓扑混合并联一体化电源控制策略。以最小化功率损耗的目的对负载电流分配进行了优化,并且考虑了Si基逆变器的开关频率对器件损耗和负载电流的总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)的影响的折衷,获取了Si基逆变器的最优开关频率。同时还分析了Si基逆变器与SiC基逆变器在不同开关状态下的两逆变器间的循环电流路径,得出了零序环流与拓扑混合并联一体化电源中的Si基逆变器相同,因此可以通过输出电感来抑制循环电流的上升以减小额外的功率损耗。最后通过仿真结果验证了所提功率分配优化策略的有效性。(3)结合以上器件最优电流配比和功率分配策略优化的研究,搭建了Si IGBT与SiC MOSFET逆变器并联一体化电源实验平台。为了提升系统的功率密度,本文将拓扑混合并联一体化电源进行模块化布局,将其分为半桥式主电路、逆变器控制电路和辅助电源三大模块,并分别对这些模块进行设计及参数选取。最后在搭建的实验平台上验证了本文所提最优电流配比和功率分配优化策略的可行性及有效性。