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抑制SiC MOSFET桥臂串扰与栅源电压振荡的推挽式电容辅助电路分析及参数设计方法

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高电压技术 2023年第1期49卷 226-237页

作者：李小强林铭恩王文杰吴富强贺生鹏中国矿业大学电气工程学院徐州221116 国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司连云港222000 杭州茂力半导体技术有限公司杭州310012

碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, SiC MOSFET)在高速开关中引起的桥臂串扰和栅极电压振荡严重制约了其开关速度。针对已提出的基于推挽式电容辅助电路(push-pull-capacito... 详细信息

碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, SiC MOSFET)在高速开关中引起的桥臂串扰和栅极电压振荡严重制约了其开关速度。针对已提出的基于推挽式电容辅助电路(push-pull-capacitor auxiliary circuit, PPCAC)的SiC MOSFET驱动工作过程进行了进一步的分析。结合分析,将SiC MOSFET桥臂串扰以及漏源电压振荡引起的栅源电压振荡2个问题归一化,通过推挽电容充放电时刻以及桥臂串扰约束,提出了一种推挽电容参数设计方法。通过该设计方法,可使得PPCAC在抑制SiC MOSFET桥臂串扰与栅源电压振荡的基础上,改善其开通关断速度。实验结果验证了所提出设计的有效性。

关键词： SiC MOSFET 桥臂串扰栅源电压振荡推挽式电容辅助电路开关速度

碳化硅MOSFET桥臂串扰机理分析与抑制策略

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中国电机工程学报 2023年第15期43卷 6005-6019页

作者：何杰刘钰山毕大强李晓北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京市海淀区100083 电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机工程与应用电子技术系) 北京市海淀区100084

桥臂串扰指关断态开关管驱动端状态受到同一桥臂支路另一开关管开通或关断的干扰而产生扰动。相比于传统硅器件,碳化硅金属–氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)开关速度更高、驱动... 详细信息

桥臂串扰指关断态开关管驱动端状态受到同一桥臂支路另一开关管开通或关断的干扰而产生扰动。相比于传统硅器件,碳化硅金属–氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)开关速度更高、驱动端可靠关断区间更小,因此,其桥臂串扰问题更加突出。为提高碳化硅MOSFET可靠性,有必要分析碳化硅MOSFET桥臂串扰发生过程和特点,并提出相应解决方案。为此,文中首先建立基于碳化硅MOSFET桥臂串扰电路模型,并分析该模型暂态过程;其次,基于分析结果建立桥臂串扰电压极值简化模型,并提出基于桥臂串扰问题安全工作区模型,然后,由此提出并设计具有桥臂串扰抑制功能的栅极驱动电路;最后,通过实验验证所提桥臂串扰模型的可行性,以及所提栅极驱动电路的有效性。

关键词：碳化硅MOSFET 暂态分析桥臂串扰栅极驱动器安全工作区开尔文源极

一种适用于SiC基变换器的桥臂串扰抑制方法

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南京航空航天大学学报 2017年第6期49卷 872-882页

作者：秦海鸿朱梓悦王丹谢昊天徐华娟南京航空航天大学多电飞机电气系统工业和信息化部重点实验室南京210016

在对碳化硅基变换器中的桥臂串扰产生机理进行深入分析的基础上,提出一种新型有源箝位桥臂串扰抑制方法,并构成适用于碳化硅(Silicon carbide,SiC)基桥臂电路的串扰抑制驱动电路。给出其等效电路模态分析,讨论了关键参数的设计方法。设... 详细信息

在对碳化硅基变换器中的桥臂串扰产生机理进行深入分析的基础上,提出一种新型有源箝位桥臂串扰抑制方法,并构成适用于碳化硅(Silicon carbide,SiC)基桥臂电路的串扰抑制驱动电路。给出其等效电路模态分析,讨论了关键参数的设计方法。设计制作了串扰抑制驱动电路模块板,并在1kW永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,PMSM)驱动实验平台上进行了验证。实验结果表明,该方法能够有效抑制SiC基变换器中的桥臂串扰。

关键词：电力电子碳化硅桥臂串扰抑制

基于SiC MOSFET的无线充电系统桥臂串扰特性

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电力电子技术 2021年第12期55卷 87-90,109页

作者：薄强王丽芳张玉旺郭彦杰中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

应用于无线充电系统的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)易产生桥臂串扰问题并影响运行可靠性。首先对桥臂串扰的产生机理进行建模并得出SiCMOSFET的结电容在串扰计算中的作用;然后探讨无线充电系统中的桥臂串扰类型,并... 详细信息

应用于无线充电系统的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)易产生桥臂串扰问题并影响运行可靠性。首先对桥臂串扰的产生机理进行建模并得出SiCMOSFET的结电容在串扰计算中的作用;然后探讨无线充电系统中的桥臂串扰类型,并进一步分析SiCMOSFET结电容的非线性在桥臂串扰电压幅值计算中的影响;最后搭建10kW无线充电系统台架进行实验验证。结果证明,此时的SiCMOSFET不存在正向串扰而仅存在负向串扰,并且考虑结电容的非线性得到的串扰电压计算值可以更加准确地表征实验值。

关键词：金属氧化物半导体场效应晶体管无线充电桥臂串扰

大功率SiC-MOSFET模块驱动技术研究

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机车电传动 2018年第2期 26-31页

作者：周帅张小勇饶沛南张庆施洪亮株洲中车时代电气股份有限公司湖南株洲412001 变流技术国家工程研究中心湖南株洲412001

为适应SiC-MOSFET相比Si-IGBT具有更快的开关速度、更低的工作损耗,同时开通阈值电压较低、短路耐量较弱等特点,研究了与其匹配的驱动技术。主要对漏极电压有源钳位、电路桥臂串扰抑制、过流检测等若干SiC-MOSFET驱动技术进行研究,并基... 详细信息

为适应SiC-MOSFET相比Si-IGBT具有更快的开关速度、更低的工作损耗,同时开通阈值电压较低、短路耐量较弱等特点,研究了与其匹配的驱动技术。主要对漏极电压有源钳位、电路桥臂串扰抑制、过流检测等若干SiC-MOSFET驱动技术进行研究,并基于三菱大功率SiC-MOSFET模块开发配套驱动进行测试。结果表明,该驱动所采用的镜像电流检测法能快速有效地对SiC-MOSFET模块进行过流检测与保护,同时漏极电压有源钳位能及时有效抑制大电流关断所产生的电压尖峰。

关键词： SiC-MOSFET 米勒效应桥臂串扰有源钳位过流检测

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基于大功率全SiC器件的变换器研究

机车电传动 2018年第6期 63-66页

作者：张庆张小勇饶沛南施洪亮赵明锐周帅株洲中车时代电气股份有限公司技术中心

为了适应变流器产品高频化、高功率密度的发展趋势,研究了大功率全SiC MOSFET器件在变换器中的应用,讨论了全SiC MOSFET器件在应用中的杂散参数问题和桥臂串扰问题。通过双脉冲试验,重点研究了驱动电阻和吸收装置对大功率全SiC MOSFET... 详细信息

为了适应变流器产品高频化、高功率密度的发展趋势,研究了大功率全SiC MOSFET器件在变换器中的应用,讨论了全SiC MOSFET器件在应用中的杂散参数问题和桥臂串扰问题。通过双脉冲试验,重点研究了驱动电阻和吸收装置对大功率全SiC MOSFET器件关断尖峰电压的影响。结合实际产品研究了基于大功率SiCMOSFET器件在轨道交通Boost变换器中的应用。试验表明,相对于硅基IGBT器件,采用SiCMOSFET器件能给变换器带来轻量化、工作频率、效率的全方位提升。

关键词： SiC器件 SiCMOSFET 杂散电感桥臂串扰振荡抑制高频化

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基于碳化硅功率器件的电机控制策略研究

基于碳化硅功率器件的电机控制策略研究

作者：王旭广西科技大学

学位级别：硕士

随着新能源汽车产业的快速发展,对新能源汽车电机驱动控制的要求也越来越高,作为电机驱动控制系统重要组成部分的半导体功率器件,是保证车辆运行可靠的关键部件之一。近年来,对第三代半导体技术的研究逐渐深入,以碳化硅为例,由于具有耐... 详细信息

随着新能源汽车产业的快速发展,对新能源汽车电机驱动控制的要求也越来越高,作为电机驱动控制系统重要组成部分的半导体功率器件,是保证车辆运行可靠的关键部件之一。近年来,对第三代半导体技术的研究逐渐深入,以碳化硅为例,由于具有耐压等级高、开关速度快等优势,在电机驱动控制领域的应用前景越来越受到人们关注。本课题基于对碳化硅功率器件的特性进行分析,探究碳化硅功率器件在永磁同步电机控制领域中的应用研究,本文主要研究内容如下:针对在Simulink中碳化硅功率器件模型不健全、精度较低的问题,对碳化硅功率器件进行分析,在Simulink中搭建碳化硅等效电路模型,通过与官方数据进行对比,验证了所提模型的准确性。由于碳化硅功率器件在实际应用过程中会出现桥臂串扰现象,该现象会严重限制碳化硅功率器件在电机驱动控制的正常运行,通过对桥臂串扰过程机理的分析,提出改进型有源抑制串扰电路,并在LTspice中搭建电路模型,通过与未采用抑制方法的电路进行对比,采用改进型有源抑制串扰电路的的峰值电压只有1.5V,小于阈值电压1.9V,从而能够有效抑制桥臂串扰现象的发生,验证了所提方法的有效性。通过对永磁同步电机的数学模型分析,针对仿真实验的要求,在Matlab中搭建电机矢量控制模型。针对传统电机双闭环PI控制易受干扰、鲁棒性不强的问题,通过对滑模变结构控制进行分析,利用滑模控制可以随时间变化的特性,设计基于滑模速度控制的永磁同步电机矢量控制策略,并在Matlab/Simulink中对传统PI控制方式进行对比,通过对比验证,基于滑模速度控制的电机控制系统转矩过冲比PI控制的低7.7%,超调量低9.7%,从而验证了所提控制策略的有效性。通过对功率器件的开关损耗以及导通损耗进行分析,对比基于Si C/Si这2种功率器件的电机控制器损耗,在高输出功率情况下Si C基电机控制器比传统Si的效率提升2%,在高开关频率情况下效率提升7%。同时针对Simulink仿真无法模拟真实控制策略在电机中的运行情况,搭建能够模拟被控对象真实状态的半实物仿真平台,通过不同时间段内所加载的负载转矩以及转速的不同,所提控制策略在负载转矩突变以及给定转速变化的情况下,电机实际转矩和转速都能够在0.15s内快速跟随给定值,验证了研究控制策略的有效性和可行性。

关键词： Simulink建模桥臂串扰损耗半实物仿真

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基于碳化硅器件的永磁同步电机控制系统研究

基于碳化硅器件的永磁同步电机控制系统研究

作者：张萌西安工业大学

学位级别：硕士

新兴碳化硅功率器件具有开关速度快、阻断电压高和耐高温工作能力强等特点,将其应用于永磁同步电机控制系统当中,可以满足电动汽车、航空、航天等领域提出的高效率、高功率密度、高可靠性的要求。本文将SiC功率器件应用于电机驱动器来... 详细信息

新兴碳化硅功率器件具有开关速度快、阻断电压高和耐高温工作能力强等特点,将其应用于永磁同步电机控制系统当中,可以满足电动汽车、航空、航天等领域提出的高效率、高功率密度、高可靠性的要求。本文将SiC功率器件应用于电机驱动器来提高系统的效率和功率密度,并通过负压关断结合外接电容来解决带来的桥臂串扰问题。控制部分采用双闭环的矢量控制技术,并结合模糊控制思想,设计出模糊PI转速控制器和传统PI电流控制器,来提高系统的动态性能,具体研究工作如下:首先,分析了电机逆变器损耗的构成并推导了功率器件通态损耗和开关损耗的计算公式。通过仿真对比了 SiC MOSFET和Si IGBT在相同工况下的器件损耗,实验结果表明采用碳化硅器件可以降低逆变器损耗,提高电机控制系统的效率。针对碳化硅电机控制系统存在的问题,深入探究了三相桥式电路桥臂串扰问题的机理,提出了负压关断结合外接电容的解决措施,并给出抑制实验效果。针对电机死区效应问题,提出了利用SiC高速开关减小死区时间,从而减轻电机的死区效应,实验结果表明,该系统电流谐波含量低,转矩脉动小,可以减轻死区效应。其次,本文简单介绍了永磁同步电机的结构,阐述了坐标变换的原理,给出了永磁同步电机在坐标变换后的数学模型,在此基础上针对电压矢量控制原理进行了阐述。基于碳化硅电机控制系统高速、高精度的性能要求,在传统双闭环的矢量控制基础上,提出将模糊PI控制器应用于转速环控制,设计出模糊PI转速控制器和传统PI电流控制器。并在空载运行、转速突变和恒速加载三种工况下对两种控制系统进行了仿真研究,结果表明,模糊PI转速控制器下的系统具有更加优良的动态性能。最后,设计了以TMS320F28335微控制器为核心的永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）控制系统,并在设计的PMSM控制系统上进行了调速实验,实验结果表明:死区时间可达0.5μs,同时可有效抑制桥臂串扰问题;在开关频率为40kHz的情况下运行稳定,调速范围宽,电流波形近似正弦波,电机转动平稳。

关键词：碳化硅永磁同步电机桥臂串扰矢量控制模糊PI

基于碳化硅功率器件的永磁同步电机驱动系统研究

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基于碳化硅功率器件的永磁同步电机驱动系统研究

作者：石宏康哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

碳化硅作为最典型的宽禁带半导体材料,近些年来被越来越广泛地用于高频高温的工作场合。利用SiC MOSFET来作为永磁同步电机控制系统中的功率器件,可以降低驱动器损耗,提高系统效率,提高开关频率,降低电流谐波和转矩波动。本文研究了一... 详细信息

碳化硅作为最典型的宽禁带半导体材料,近些年来被越来越广泛地用于高频高温的工作场合。利用SiC MOSFET来作为永磁同步电机控制系统中的功率器件,可以降低驱动器损耗,提高系统效率,提高开关频率,降低电流谐波和转矩波动。本文研究了一种基于SiC MOSFET驱动的永磁同步电机控制系统,旨在验证碳化硅功率器件用于电机驱动领域的优势,寻找出适合于碳化硅功率器件的电机驱动场合。首先,研究了SiC MOSFET的工作特性和参数特性,在现有的Spice建模策略的基础上,提出了一种器件物理性质和等效电路结构相结合的SiC MOSFET的Spice建模方法,搭建了碳化硅功率模块BSM300D12P2E001的电路模型,并通过将软件仿真结果与器件数据手册给出的曲线进行对比,验证了该模型能够在较宽的温度范围内精确地反映出器件的静态特性和动态特性。其次,分析了电机逆变器损耗的构成及影响各类损耗的因素,并推导了功率器件通态损耗和开关损耗以及续流二极管损耗的估算方法。通过单变量仿真得到了影响通态损耗和开关损耗的因素,并对比了SiC MOSFET和Si IGBT在相同工况下的器件损耗,验证了采用碳化硅器件可以降低逆变器损耗,提高电机系统的效率。再次,针对碳化硅电机系统存在的问题,深入探究了三相桥式电路桥臂串扰问题的机理,详细分析了寄生电容、电感等参数对串扰的影响,分别对于不同影响因素提出了抑制桥臂串扰问题的解决措施,并对比和分析了各方案的效果。研究了高开关频率下死区效应对电机性能的影响,针对碳化硅电机驱动器提出了一种简单有效的死区补偿措施,通过仿真和实验验证了该补偿措施可降低电流谐波含量,减小电机的转矩波动。最后,在分析了电机系统结构和各部分的功能的基础上,设计了逆变器驱动电路和保护电路,搭建出包括碳化硅逆变器和传统硅基逆变器的永磁同步电机控制系统,并完成了对比实验,验证了采用碳化硅功率器件能够提高开关频率,减小死区时间,从而改善电机的性能。

关键词：永磁同步电机电机控制碳化硅MOSFET Spice建模桥臂串扰