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《中国矿业大学》 2018年
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SiC MOSFET模块特性及其三相两电平逆变器调制策略研究

石聪聪  
【摘要】:伴随着第三代新型宽禁带半导体材料的出现,电力电子领域正在经历着不断的进步和革新,人们越来越关注变换器及系统整体效率和功率密度的提高。相较于Si基器件,碳化硅(Silicon Carbide,SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)由于在开关频率、耐高压和耐高温等方面的极大优势,更能适应新时代节能高效变换器的要求。本文以SiC MOSFET功率模块(Cree/Wolfspeed CAS300M17BM2)为研究对象,对其动静态特性及其在三相逆变器中的应用进行了研究。在分析了碳化硅材料及其结构特性的基础上,分别针对SiC MOSFET的静、动态特性进行了详细地分析。静态特性方面,主要分析了其输出特性、转移特性、通态电阻、体二极管和极间分布电容等的影响因素;动态特性方面,主要分析SiC MOSFET的开通和关断过程,并对开关过程中每个阶段的各个电量参数给出了具体的数值表达式。搭建了基于三相逆变器的双脉冲测试平台,对相同功率等级的SiC MOSFET和Si IGBT模块进行对比测试,分析它们在不同负载电流和不同栅极驱动阻尼系数下的器件开关损耗和串扰问题,并给出了驱动设计参考建议。基于SiC MOSFET第三象限工作特性的分析,结合传统的空间矢量脉宽调制策略(SVPWM),提出适应于SiC MOSFET的同步整流不连续脉宽调制方法(SRDPWM)。利用二重傅里叶分析对SRDPWM调制方法进行解析求解,建立其频域数学模型,对各次谐波特性进行定量分析。结合SiC MOSFET同步整流工作模式,建立了SRDPWM调制策略下的SiC MOSFET两电平逆变器的开关损耗和通态损耗模型。设计了SiC MOSFET三相两电平逆变器实验样机,建立逆变器和散热器等效热阻模型,利用Icepak软件分析了不同参数条件下散热器的散热性能,并对散热器进行仿真优化设计。研制SiC MOSFET三相逆变器实验平台,实验验证了所建立的损耗模型和谐波性能的二重傅里叶分析的优越性。实验对比分析了SVPWM和本文提出的SRDPWM两种调制策略在不同开关频率和不同负载功率下的效率,结果分析表明SRDPWM能够显著减小SiC MOSFET的开关损耗,提高逆变器的效率,并且在轻载、高开关频率工作场合的优势更加明显。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM464

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【参考文献】
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