SiC功率器件特性及其在逆变器中的应用研究

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逆变器作为航空静止交流器中的重要环节,正朝着高效率和高功率密度方向发展。提高开关频率是提高变换器功率密度的重要途径,但是传统的Si器件在开关频率提高的同时会带来开关损耗增加的问题。新型SiC器件工作频率高、阻断电压高,同时开关损耗和通态比电阻较低,为实现更高效率,更高功率密度逆变器提供了一种新的解决方案。尽管SiCMOSFET与SiMOSFET相比是一个卓越的开关管,但不能理解为它能够对现有的硅器件的应用进行一个直接插入式的替换,需要仔细的研究才能从SiCMOSFET器件中获得最优的性能。  本文首先对Cree公司的SiC肖特基二极管C3D10060(600V/10A)和SiCMOSFETCMF10120D(1200V/10A)进行了特性的研究。对SiCMOSFET和SiMOSFET的静态特性进行了对比,归纳总结出SiCMOSFET区别于SiMOSFET的特性以及这些特性对电路的需求和带来的优势。在斩波电路中,对SiC肖特基二极管的反向恢复特性进行了测试和分析,给出不同开关频率、不同驱动电阻情况下SiCMOSFET的开关特性,并对开关管应力和高频寄生振荡问题进行了阐述。  针对SiCMOSFET应用于高频逆变器中相关问题进行了研究,如驱动电路,高频寄生参数,EMI问题等。建立了逆变器损耗模型,针对损耗分布图,在提升逆变器效率方面作了研究。  最后研制了一台1kVA单相全桥逆变器实验平台,给出详细硬件电路设计过程。对使用全Si器件(SiMOSFET与寄生体二极管组合),混合器件(SiMOSFET与外并SiC肖特基二极管组合)和全SiC器件(SiCMOSFET与外并SiC肖特基二极管)的逆变器在效率方面进行了对比,结果验证了全SiC器件逆变器在效率方面的优势。
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