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基于Si IGBT和siC MOSFET的飞跨电容MMC拓扑及其调制策略

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基于Si IGBT和SiC MOSFET的飞跨电容MMC拓扑及其调制策略

作者：井开源华中科技大学

学位级别：硕士

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有波形质量好、模块化程度高等优势。电容作为MMC子模块中最大的储能元件,降低子模块电容电压波动对提高MMC功率密度,实现MMC轻型化具有重要意义。在降低子模块电容电压波动的... 详细信息

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有波形质量好、模块化程度高等优势。电容作为MMC子模块中最大的储能元件,降低子模块电容电压波动对提高MMC功率密度,实现MMC轻型化具有重要意义。在降低子模块电容电压波动的方案中,飞跨电容MMC(Flying-Capacitor MMC,FC-MMC)以其良好的性能得到了广泛的关注。利用siC MOSFET低开关损耗特性和Si IGBT低导通损耗特性,本文开展了对结合siC器件与si器件,具有低损耗特性的FC-MMC的研究。首先,本文介绍了FC-MMC的拓扑以及运行特性,分析了FC-MMC降低电容电压波动的原理,并建立了FC-MMC的数学模型。进一步,结合siC MOSFET与Si IGBT的特点,提出了一种采用混合器件的改进型FC-MMC方案,并介绍了改进型方案的拓扑及工作原理。该方案通过调制策略将开关动作集中在siC子模块以降低开关损耗和提升工作效率,并通过新型均压方案实现了siC子模块与si子模块之间的电容电压平衡。然后,本文提出了改进型FC-MMC的损耗分析方法。根据si子模块和siC子模块的开关动作表征,分析了两种子模块在导通和投切时的损耗产生机理,结合Si IGBT和siC MOSFET的器件特性,得到了改进型FC-MMC的开关损耗与导通损耗表达式。并对改进型FC-MMC进行了损耗计算,验证了改进方案的低损耗特性。最后,本文搭建了改进型FC-MMC仿真模型,通过仿真验证了改进方案的稳态特性与动态特性。在此基础上,本文利用仿真模型进行了损耗计算,验证了损耗理论分析的正确性。仿真结果表明改进型FC-MMC方案可充分利用siC MOSFET开关损耗低和Si IGBT导通损耗低的优势,在抑制子模块电容电压波动的同时显著降低系统损耗。此外,本文通过单相FC-MMC实验平台验证了所提调制策略的有效性。

关键词： FC-MMC 损耗优化混合器件拓扑改进调制策略 siC MOSFET Si IGBT

Review of Si IGBT and siC MOSFET Based on Hybrid Switch

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Chinese Journal of Electrical Engineering 2019年第3期5卷 20-29页

作者： Puqi Ning Tianshu Yuan Yuhui Kang Cao Han Lei Li Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive Institute of Electrical EngineeringChinese Academy of SciencesBeijing 100190China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100190China

siC Hybrid switch(HyS)combines low conduction loss of Si IGBT and low switching loss of siC MOSFET,and the cost is closer to that of Si IGBT.The promising high performances of HyS will bring considerable achievement in terms of enhancing power density of a converter system.By reviewing the gate drive pattern,gate drive hardware,current sharing,module design,converter design,and cost,this paper introduces state-of-the-art siC HyS.

关键词： Hybrid module siC device Si IGBT siC MOSFET

siC MOSFET与Si IGBT器件温度敏感电参数对比研究

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电源学报 2020年第4期18卷 28-37页

作者：俞恒裕王俊江希陈建军湖南大学电气与信息工程学院长沙410000

功率半导体器件结温是反映器件健康状态的关键指标。目前被认为具有前景的在线实时结温提取方案是基于器件本身的温度敏感电参数TSEPs(temperature sensitive electrical parameters)法,对于Si IGBT器件温敏电参数的在线实时结温提取方... 详细信息

功率半导体器件结温是反映器件健康状态的关键指标。目前被认为具有前景的在线实时结温提取方案是基于器件本身的温度敏感电参数TSEPs(temperature sensitive electrical parameters)法,对于Si IGBT器件温敏电参数的在线实时结温提取方法国内外已有大量文献报道,但对于宽禁带siC器件研究甚少,且对于不同种温敏电参数的特性差异分析极为必要。因此,提出针对不同温敏电参数在siC MOSFET和Si IGBT上的对比分析。首先对siC MOSFET的静态和动态温敏电参数进行理论建模分析获取结温敏感依据,后续通过实验多维度对比分析温敏电参数在siC MOSFET和Si IGBT的适用性。最后就各温敏电参数的提取电路设计进行分析对比。实验结果表明,通态电阻Ron和开通di/dt更适合于siC MOSFET,而VTH、td-off和VGP更适合于Si IGBT。

关键词： siC MOSFET Si IGBT 温度敏感电参数结温提取可靠性

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

基于siC MOSFET/Si IGBT的670V/100kW城轨辅助逆变器的综合比较

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铁道机车车辆 2021年第4期41卷 143-148页

作者：姚文革王方刘阳李伟杰马颖涛刘博北京纵横机电科技有限公司北京100094 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所北京100081 北京建筑大学机电与车辆工程学院北京100044 北京建筑大学城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室北京100044 北京交通大学电气工程学院北京100044

三相全桥逆变器广泛应用于各个领域,特别是轨道交通的牵引变流器系统和辅助变流器系统。利用新一代功率半导体器件如碳化硅(siC)提升功率密度,使三相逆变器向小型化、轻量化的方向发展。采用siC MOSFET以减小主回路电感的设计为优化目标... 详细信息

三相全桥逆变器广泛应用于各个领域,特别是轨道交通的牵引变流器系统和辅助变流器系统。利用新一代功率半导体器件如碳化硅(siC)提升功率密度,使三相逆变器向小型化、轻量化的方向发展。采用siC MOSFET以减小主回路电感的设计为优化目标,研制了用于城轨辅助变流的新型逆变器样机,与原有的Si IGBT逆变器进行了结构与电气性能的对比。理论分析和试验测试的结果表明,该逆变器样机的最大输出功率可达132 kW,此时逆变器样机的功率密度相应为1.49 kW/dm^(3)或3.64 kW/kg。

关键词： siC MOSFET Si IGBT 逆变器回路电感功率密度

轨道交通混合siC igbt器件与Si IGBT器件应用对比研究

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机车电传动 2020年第5期 67-72页

作者：田伟谢舜蒙陈燕平张荣朱武刘杰谭一帆中车株洲所电气技术与材料工程研究院湖南株洲412001

混合siC igbt采用siC肖特基二极管替换传统igbt器件中的反并联二极管,可以减少二极管反向恢复损耗和igbt开通损耗,相对于传统的Si IGBT器件,其性能大幅提升,相比于高压大功率全siC器件,混合siC igbt在成本和技术成熟度方面具有较大优势... 详细信息

混合siC igbt采用siC肖特基二极管替换传统igbt器件中的反并联二极管,可以减少二极管反向恢复损耗和igbt开通损耗,相对于传统的Si IGBT器件,其性能大幅提升,相比于高压大功率全siC器件,混合siC igbt在成本和技术成熟度方面具有较大优势。文章根据混合siC igbt器件特性开发了符合混合siC igbt器件应用需求的低换流回路杂散电感的变流器模块,研究了换流回路杂散电感对混合siCigbt开关特性的影响。试验结果表明:变流模块杂散电感对混合siC igbt开通振荡电压幅值与持续时间具有较大的影响;使用混合siC igbt器件比使用Si IGBT器件可以降低约25%的系统损耗。

关键词：轨道交通混合siC igbt Si IGBT 杂散电感损耗仿真

基于si和siC器件的混合型级联多电平变换器及其调控优化方法

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电工技术学报 2023年第18期38卷 5017-5028页

作者：任鹏涂春鸣侯玉超郭祺王鑫国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学) 长沙410082

针对现有级联型多电平变换器器件多、损耗大、功率密度低等问题,该文提出一种基于si和siC器件的混合型级联多电平变换器(HCMC)拓扑结构。HCMC由全Si IGBT器件的中性点钳位(NPC)型三电平单元与由siigbt、siCMOSFET器件混合的级联H桥(CHB... 详细信息

针对现有级联型多电平变换器器件多、损耗大、功率密度低等问题,该文提出一种基于si和siC器件的混合型级联多电平变换器(HCMC)拓扑结构。HCMC由全Si IGBT器件的中性点钳位(NPC)型三电平单元与由siigbt、siCMOSFET器件混合的级联H桥(CHB)单元串联构成。针对此拓扑提出一种特定的高低频混合调制策略,充分发挥siC MOSFET开关损耗低、siigbt通态损耗低的优势,并对NPC单元直流侧电压和CHB单元子模块数进行优化设计。此外,为解决子模块电容电压不平衡问题,提出一种轮换均压控制策略。最后,在6kV系统无功补偿工况下进行仿真和实验,验证了HCMC拓扑结构和调制策略的可行性,并将HCMC和现有级联型多电平变换器进行综合对比,证明了所提拓扑在保证输出性能的条件下大大降低了运行损耗。

关键词：混合多电平变换器 Si IGBT siC MOSFET 混合调制电压平衡策略

面向输出性能优化的高低频混合型模块化多电平变换器及其调控策略

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电工技术学报 2024年

作者：侯玉超郭祺涂春鸣王鑫汪颖国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学) 四川大学电气工程学院

为破解中压模块化多电平变换器（MMC）输出性能提升与降本、增效难以有效兼顾的问题，该文提出一种基于高低频混合的新型MMC（NMMC）拓扑。NMMC每个桥臂包含1个由异质交叉连接模块（HCCM）构成的高频子模块和N-1个半桥变换器构成的低频... 详细信息

为破解中压模块化多电平变换器（MMC）输出性能提升与降本、增效难以有效兼顾的问题，该文提出一种基于高低频混合的新型MMC（NMMC）拓扑。NMMC每个桥臂包含1个由异质交叉连接模块（HCCM）构成的高频子模块和N-1个半桥变换器构成的低频子模块。HCCM的高频桥臂采用siC MOSFET器件，而HCCM的换向桥臂及低频子模块均采用Si IGBT器件。针对NMMC拓扑，该文采用高低频混合调制策略，充分发挥了siC MOSFET器件开关损耗低、Si IGBT器件通态损耗低的优势。此外，针对高频子模块提出一种特定的电容电压平衡策略，并详细分析高频子模块的工作状态。进一步地，仿真及实验验证了所提拓扑结构、调制策略、均压策略的可行性和有效性。最后，将所提拓扑与现有MMC拓扑在器件成本和运行损耗方面进行综合对比，证明所提拓扑可以更好地平衡装置的成本及效率指标。

关键词：模块化多电平变换器 Si IGBT siC MOSFET 混合调制电平数增倍

一种高性能低成本的中压异质器件混合型模块化多电平变换器及其控制策略

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电网技术 2024年

作者：周志涂春鸣侯玉超郭祺任鹏刘红文杨金东国家电能变换与控制工程技术研究中心(湖南大学) 云南电网有限责任公司电力科学研究院

针对少子模块数的中压模块化多电平变换器(modular multilevel converter， MMC)装置损耗、成本等指标难以综合提升的问题，本文提出一种基于Si IGBT和siC MOSFET器件混合的模块化多电平变换器，简称异质器件混合型模块化多电平变换器(h... 详细信息

针对少子模块数的中压模块化多电平变换器(modular multilevel converter， MMC)装置损耗、成本等指标难以综合提升的问题，本文提出一种基于Si IGBT和siC MOSFET器件混合的模块化多电平变换器，简称异质器件混合型模块化多电平变换器(heterogeneous device hybrid MMC， HDHMMC)。HDHMMC由全Si IGBT的低频模块和Si IGBT与siC MOSFET混合的高频模块组成。针对此拓扑提出一种特定的高低频混合调制策略，充分发挥Si IGBT通态损耗低、siC MOSFET开关损耗低的优势。此外，详细分析了高低频模块的能量波动机理，并针对高低频模块直流侧电容电压不稳定问题提出一种特定的稳压策略。仿真和实验结果验证了HDHMMC拓扑及其调制、稳压策略的可行性。最后，将HDHMMC与现有MMC拓扑进行损耗与成本对比，证明所提拓扑可以更好的平衡成本、效率、功率密度等性能指标。

关键词：模块化多电平变换器 Si IGBT siC MOSFET 混合调制稳压策略