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电动汽车Si/SiC混合器件逆变系统电磁辐射干扰预测技术研究

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电动汽车Si/SiC混合器件逆变系统电磁辐射干扰预测技术研究

作者：李佳维湖南大学

学位级别：硕士

近年来,随着全球变暖、水源污染和空气污染的不断加重,人们越来越意识到清洁环保的重要性,各国纷纷提倡绿色出行,电动汽车行业由此迎来高速发展时期,但与传统燃油车多以机械结构件组成不同,其内部有着众多的电子设备,这使得电动车辆实... 详细信息

近年来,随着全球变暖、水源污染和空气污染的不断加重,人们越来越意识到清洁环保的重要性,各国纷纷提倡绿色出行,电动汽车行业由此迎来高速发展时期,但与传统燃油车多以机械结构件组成不同,其内部有着众多的电子设备,这使得电动车辆实现电磁兼容相较于燃油车具有数以倍增的难度。以电动汽车逆变系统为例,因其具有高电压、高功率和高频率的特点,存在寄生电感、电容等参数,而逆变器内部的半导体高频器件快速开关时会产生较大的dv/dt和di/dt,寄生参数就为这些高频干扰提供了传播通道,对整车的电磁兼容安全性产生了威胁。因此,本文针对电动汽车Si/SiC混合器件逆变系统的电磁辐射干扰预测问题,进行一系列理论研究与技术分析,致力于为电动汽车电磁兼容性能设计与开发成本降低。论文的主要工作包括:首先,分别探讨了Si IGBT和SiC MOSFET的特性以及采用Si/SiC混合器件的原因,对Si/SiC混合器件进行了特性分析和参数提取,建立了逆变电路高频电路模型,分析了典型无源器件的高频等效模型,利用ANSYS Q3D电磁仿真软件提取了混合器件与散热器之间的寄生参数,并通过仿真验证了所建立的模型。然后,对Si/SiC混合器件及互连带状线缆的电磁干扰机理进行了分析,在CST中建立了混合器件及互连带状线缆的3D模型。提出了基于偶极子天线的分析方法,分析了混合器件引脚的电磁辐射干扰,讨论了电压、上升时间和保持时间等不同输入参数对混合器件电磁辐射干扰的影响,并分析了混合器件所产生的远场辐射图,探讨了其他器件布局方法。针对多根线缆组成的互连带状线缆,采用等效电缆束法将互连带状线缆的多线模型简化成为一根,并与原线缆进行了对比,结果表明所提出的方法能较好的还原多线的分布参数。最后,研究了线缆的辐射机理,确定了开关器件快速开断所造成的较大的dv/dt是逆变电路系统的主要电磁干扰源,提出了通过分析Si/SiC混合器件逆变电路系统的传导干扰路径预测其辐射干扰路径的方法,并根据传输线理论建立了功率线缆等效电路模型。在CST Cable Studio中建立了完整的3D模型,通过场-线-路联合仿真方法计算了Si/SiC混合器件逆变电路系统的辐射干扰电磁场分布,构建测试环境开展了实验验证,实测数据与仿真结果吻合较好,证实了所提出的预测方法的正确性。

关键词：电动汽车逆变器混合器件电磁兼容电磁干扰辐射干扰

SiC JMOS和SiC DMOS在Si/SiC混合器件单相逆变器中的应用研究

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中国电机工程学报 2019年第19期39卷 5674-5682页

作者：李宗鉴王俊余佳俊江希沈征湖南大学电气与信息工程学院

Si IGBT与SiC MOSFET并联组成的Si/SiC混合器件(HyS)因在功率变换器中提供了一种成本与性能的优化折衷而受到广泛关注。其中,SiC MOSFET特性直接影响Si/SiC混合器件的性能,对基于不同类型SiCMOSFET的Si/SiC混合器件的特性差异分析极为... 详细信息

Si IGBT与SiC MOSFET并联组成的Si/SiC混合器件(HyS)因在功率变换器中提供了一种成本与性能的优化折衷而受到广泛关注。其中,SiC MOSFET特性直接影响Si/SiC混合器件的性能,对基于不同类型SiCMOSFET的Si/SiC混合器件的特性差异分析极为必要。该文对比分析基于新型集成结势垒肖特基二极管(JBS)的SiCMOSFET(SiCJMOS)的Si/SiC混合器件(HySJ)和基于传统平面栅SiCMOSFET的传统Si/SiC混合器件(HySD)的特性差异。对比分析2种混合器件的导通特性与开关特性,结果表明,与HySD相比,HySJ具有更低的反向导通压降,更好的反向恢复性能和更小的开通损耗。建立适用于2种混合器件单相逆变器损耗模型,对比分析2种器件在逆变器应用中的损耗差异。设计基于2种混合器件的5kW单相逆变器样机,对比应用2种混合器件的变换器损耗、效率及器件结温。实验结果表明,在轻载条件下,与HySD方案相比,HySJ可以实现最大0.5%的峰值转换效率的提升。

关键词：碳化硅混合器件 IGBT MOSFET 损耗模型结势垒肖特基二极管

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一种WDM-ISO-TAP混合器件的设计

半导体光电 2002年第2期23卷 81-83,86页

作者：万助军曹明翠罗风光张晟华中科技大学激光技术与工程研究院湖北武汉430074

设计了一种WDM ISO TAP混合器件 ,该器件集成了波分复用 (WDM)、隔离器和分光耦合三种功能 ,可以用于掺铒光纤放大器的后向泵浦。对该器件的加工和装配误差进行了分析 ,并参照现有器件水平 ,估计了该器件的性能指标。该器件具有体积小。

关键词： WDM TAP EDFA 隔离器混合器件泵浦

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件及其应用研究

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电源学报 2020年第4期18卷 58-70页

作者：李宗鉴王俊江希何志志彭子舜余佳俊湖南大学电气与信息工程学院长沙410000

综述了Si IGBT/SiC MOSFET混合器件在门极优化控制策略、集成驱动设计、热电耦合损耗模型、芯片尺寸配比优化和混合功率模块研制等方面的最新研究成果与进展。Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结合了SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性... 详细信息

综述了Si IGBT/SiC MOSFET混合器件在门极优化控制策略、集成驱动设计、热电耦合损耗模型、芯片尺寸配比优化和混合功率模块研制等方面的最新研究成果与进展。Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结合了SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性和Si IGBT的大载流能力和低成本优势,已有文献的最新研究和实验结果验证了该类器件的优异特性,表明其对高性能电力电子器件实现更高电流容量、更高开关频率和较低成本具有重要意义,是高性能变换器应用中非常有潜力的功率器件类型。

关键词： SiC MOSFET Si IGBT 混合器件损耗模型功率模块

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一种高频高效自由电子激光潘尼混合器件

电子学报 1999年第3期27卷 142-144页

作者：龚建民西南交通大学电磁所成都610031

本文研究了直流和纵向摇摆器混合磁场中旋转运动电子束与潘尼管电磁模式相互作用不稳定性的情况．研究结果指出这种不稳定性基于潘尼管的工作机理，但它工作在ω＝ωc＋kwv||的混合频率上．因此这种器件具有高效率和高频率工作双重优点... 详细信息

本文研究了直流和纵向摇摆器混合磁场中旋转运动电子束与潘尼管电磁模式相互作用不稳定性的情况．研究结果指出这种不稳定性基于潘尼管的工作机理，但它工作在ω＝ωc＋kwv||的混合频率上．因此这种器件具有高效率和高频率工作双重优点．在数值模拟中找到36％的高效率．此外，其输出功率随摇摆器磁场具有连续可调性．

关键词：自由电子激光潘尼管激光器混合器件

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适应于逆变器的混合器件开关策略研究

适应于逆变器的混合器件开关策略研究

作者：刘增湖南大学

学位级别：硕士

智能电网、新能源发电、工业自动化、航空航天等行业的快速发展,对逆变装置的效率、功率密度、可靠性等提出了更为严苛的要求。由Si IGBT和SiC MOSFET构成的混合器件具有低开关损耗、低成本、大载流能力和高冗余能力的优势,有望突破逆... 详细信息

智能电网、新能源发电、工业自动化、航空航天等行业的快速发展,对逆变装置的效率、功率密度、可靠性等提出了更为严苛的要求。由Si IGBT和SiC MOSFET构成的混合器件具有低开关损耗、低成本、大载流能力和高冗余能力的优势,有望突破逆变装置在功率半导体器件层面的瓶颈。目前,混合器件开关策略与逆变装置的性能之间缺乏深入的研究,基于混合器件的逆变装置的性能有待进一步提升。为此,本文以基于混合器件的单相逆变器为研究对象,设计并搭建了相应的实验平台,对适应于逆变器的混合器件开关策略展开深入研究,以提升基于混合器件的逆变器的效率、可靠性以及冗余运行能力。主要工作如下:1、为了提升单相逆变器的效率,提出了一种采用粒子群优化(PSO)算法优化混合器件延迟时间的开关策略。基于混合器件的损耗模型,分析了混合器件延迟时间、混合器件损耗和单相逆变器总损耗之间的关系。建立了反映单相逆变器总损耗的适应值函数,并采用PSO算法实时优化混合器件的延迟时间。实验结果表明,与固定的延迟时间相比,所提开关策略可使单相逆变器的总损耗减小6.5%以上。2、为了提升单相逆变器的可靠性,提出了一种多目标优化开关策略。分析了采用常规开关策略时混合器件中SiC MOSFET的电流应力。提出了一种结合变开关模式策略和变开关频率策略的开关策略,并探究了不同开关模式中最优的延迟时间。实验结果表明,多目标优化开关策略有效解决了SiC MOSFET过电流应力的问题,提升了单相逆变器的可靠性,同时兼顾了逆变器的效率。3、探讨了基于混合器件的单相逆变器在器件级的冗余性,并提出了一种容错开关策略,以提升单相逆变器的冗余运行能力。分析了功率半导体器件故障后单相逆变器的容错拓扑。依据功率半导体器件的故障类型以及单相逆变器的运行工况,采取相应的容错开关模式。实验结果表明,容错开关策略可防止功率半导体器件故障后单相逆变器的效率、输出电压谐波、可靠性的进一步恶化。通过总结全文工作发现,本文所提出的三种混合器件开关策略可大幅度提升基于混合器件的单相逆变器的效率、可靠性以及冗余运行能力。本文的研究将为高效率、高可靠性和高冗余能力的逆变装置的研制提供新思路和技术支撑,将在一定程度上促进混合器件的推广应用。

关键词：混合器件逆变器效率可靠性冗余性

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结温估测及热电性能优化控制

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Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结温估测及热电性能优化控制

作者：何志志湖南大学

学位级别：硕士

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件的出现打破了碳化硅(Silicon Carbide,SiC)基器件所处的困境,有力地推动了SiC基器件的发展和应用,为电力电子技术的发展提供了全新的思路。但混合器件发展时间较短,目前针对混合器件的研究大多数都集中在器... 详细信息

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件的出现打破了碳化硅(Silicon Carbide,SiC)基器件所处的困境,有力地推动了SiC基器件的发展和应用,为电力电子技术的发展提供了全新的思路。但混合器件发展时间较短,目前针对混合器件的研究大多数都集中在器件性能的对比验证和初步的性能优化。众所周知,结温是影响功率半导体器件可靠性和寿命的重要因素,然而到目前为止尚未出现一种简便有效的混合器件运行结温估测方法。其次,混合器件由两种不同材料的器件并联组成,这种并联结构通常存在器件运行结温不平衡,从而导致某一器件无法发挥出性能优势。此外,混合器件在实际应用中易出现结温优化和性能优化出现冲突的问题。为此,需要针对这些亟需解决的问题开展理论分析和实验研究,寻找合适的解决方案,从而进一步优化混合器件的热电性能和提升混合器件的实用价值。在以往研究基础上,本论文围绕混合器件开展了多项研究工作。主要工作内容如下:1、混合器件作为一种新技术,其特性与传统器件相比有很大不同,因此混合器件特性探究是后续研究工作的基础。本文首先阐述了混合器件的选型要求,确定了混合器件设计方案。最后通过仪器设备详细测试和分析了混合器件的静态输出特性,并设计混合器件动态特性测试电路,探究了混合器件动态特性。2、针对混合器件损耗计算和结温估测的难题,本论文根据混合器件导通和开关特性,建立了能够准确计算混合器件损耗的数字模型。该损耗模型反映了混合器件导通后内部器件的分流情况,也描述了混合器件开关延时时间对混合器件开关特性造成了影响。随后,本论文根据热传导路径,建立了适用于混合器件的热阻抗网络。最后利用损耗模型和热阻抗网络进行混合器件结温估测。3、针对混合器件往往因采用不恰当的驱动模式,在变换器实际运行过程中无法发挥出极限性能的问题,本文设计了适用于混合器件的主动结温控制策略和多目标优化控制策略。最后,对本文提出的两种混合器件热电性能优化控制策略进行了实验验证。通过总结本文研究工作发现,混合器件综合了两种不同材料器件各自的优势,展示出了更高的性价比、灵活性、可靠性。本文提出的损耗模型和结温估测方法,使得混合器件结温估测更加简洁方便,为解决混合器件结温估测的难题提供了新的思路。而采用优化控制策略的混合器件运行结温得到优化的同时,工作性能也得到提升,对混合器件的推广应用起到了一定积极作用。

关键词： SiC MOSFET 混合器件性能优化结温可靠性