《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》2019年度優(yōu)秀論文獲獎(jiǎng)?wù)撐暮唸?bào)
《光伏發(fā)電出力預(yù)測(cè)技術(shù)研究綜述》等15篇優(yōu)秀論文入選《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》2019年度優(yōu)秀論文,榮獲中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)表彰?,F(xiàn)將部分獲獎(jiǎng)?wù)撐牡奈恼潞唸?bào)分享給各位讀者,以期促進(jìn)本領(lǐng)域的技術(shù)交流。
傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下SiC MOSFET受高開關(guān)速度特性及寄生參數(shù)影響,橋臂串?dāng)_現(xiàn)象更加嚴(yán)重,而現(xiàn)有抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路又會(huì)增加開關(guān)損耗、開關(guān)延時(shí)和控制復(fù)雜程度,本文結(jié)合驅(qū)動(dòng)阻抗控制與負(fù)壓關(guān)斷的串?dāng)_抑制方法,提出一種改進(jìn)門機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。試驗(yàn)結(jié)果表明,相比典型抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路,提出的驅(qū)動(dòng)方法在有效抑制串?dāng)_的同時(shí),減小了開關(guān)損耗與開關(guān)延時(shí)。
團(tuán)隊(duì)介紹
重慶大學(xué)李輝教授研究團(tuán)隊(duì)主要圍繞可再生能源電力裝備安全可靠運(yùn)行開展研究,擁有完備的材料-封裝-器件-裝備仿真及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。近五年,團(tuán)隊(duì)在大功率電力電子器件可靠性研究方向承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金智能電網(wǎng)聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)“壓接型IGBT器件封裝老化失效演化機(jī)理及測(cè)評(píng)方法”,參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目3項(xiàng)“電力系統(tǒng)用國產(chǎn)高壓大功率IGBT芯片及模塊的應(yīng)用研發(fā)”、“碳化硅大功率電力電子器件及應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究”、“大容量電力電子裝備多物理場綜合分析及可靠性評(píng)估方法研究”;承擔(dān)國家自然基金面上項(xiàng)目2項(xiàng),參與工信部高新技術(shù)科研項(xiàng)目1項(xiàng),國際合作項(xiàng)目2項(xiàng)以及省部級(jí)科技項(xiàng)目10余項(xiàng);獲重慶市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)。
李輝
1973出生,教授,博士生導(dǎo)師,教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃入選者,愛思唯爾“中國高被引學(xué)者”,輸配電裝備及系統(tǒng)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任,中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)電力電子器件專業(yè)委員會(huì)委員,中國工業(yè)節(jié)能與清潔生產(chǎn)協(xié)會(huì)綠色電機(jī)系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)專家,IET Renewable Power Generation副編輯。主持國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)、面上項(xiàng)目2項(xiàng),參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)和國際合作項(xiàng)目2項(xiàng),獲重慶市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(第一完成人),發(fā)表高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文72篇,出版專著1部,授權(quán)國家發(fā)明專利16件,申請(qǐng)發(fā)明專利11件。主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮悠骷庋b與可靠性、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、特種電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制。
黃樟堅(jiān)
1992出生,碩士研究生,研究方向?yàn)镾iC電力電子器件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用。
研究背景
近年來,以碳化硅(Silicon Carbide, SiC)MOSFET 為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件因其具有高開關(guān)頻率、高開關(guān)速度、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn),已成為高頻、高溫、高功率密度電力電子變換器的理想選擇。然而隨著SiC MOSFET開關(guān)速度加快,橋式電路受寄生參數(shù)影響加劇,串?dāng)_現(xiàn)象更加嚴(yán)重。由于SiC MOSFET 正向閾值電壓與負(fù)向安全電壓較小,串?dāng)_問題引起的正負(fù)向電壓尖峰更容易造成開關(guān)管誤導(dǎo)通或柵源極擊穿,進(jìn)而增加開關(guān)損耗,嚴(yán)重時(shí)損壞開關(guān)管。
論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)
提出一種在柵源極增加三極管串聯(lián)電容新型輔助支路的改進(jìn)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法,該方法具有開關(guān)損耗小、延時(shí)較短、控制簡單的特點(diǎn)。論文首先闡述串?dāng)_現(xiàn)象的產(chǎn)生原理及其典型抑制方法,其次分析改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路工作原理與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)原則,最后,搭建雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路有效性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路的思想是在串?dāng)_產(chǎn)生過程中,通過控制三極管開斷,使三極管串聯(lián)電容的輔助支路為米勒電流提供旁路通道,降低柵極驅(qū)動(dòng)回路阻抗,抑制串?dāng)_,同時(shí)減小輔助支路電容對(duì) SiC MOSFET開關(guān)特性的影響,其原理圖與相關(guān)開關(guān)波形如圖1、圖2所示。
圖1 改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路
圖2 改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路相關(guān)波形
為了驗(yàn)證改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路的有效性,本文基于 SiC MOSFET 器件 C2M0080120D,搭建了如圖3所示的雙脈沖測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路、典型抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路、改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。圖4給出了改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路原理,圖4~圖6分別給出了驅(qū)動(dòng)電阻為10Ω,輸入電壓為400V,負(fù)載電流為5A時(shí),不同驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)驗(yàn)波形。
圖3 雙脈沖測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
圖4 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)波形
圖5 典型驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)波形
圖6 改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)波形
不同驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表1所示。
表1 不同驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果
結(jié)論
為了有效解決典型驅(qū)動(dòng)電路在抑制串?dāng)_同時(shí)增加開關(guān)延時(shí)與開關(guān)損耗問題,本文提出了一種在SiC MOSFET柵源極增加三極管串聯(lián)電容新型輔助支路的改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路及其設(shè)計(jì)方法,并通過原理分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,表明了所提改進(jìn)串?dāng)_抑制驅(qū)動(dòng)電路及其參數(shù)設(shè)計(jì)方法的有效性。所得主要結(jié)論如下:
①傳統(tǒng)無輔助支路的SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路,橋臂串?dāng)_現(xiàn)象明顯。典型抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)和本文所提改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路都能有效抑制串?dāng)_問題。
②無論是典型抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路,還是本文提出的改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路,SiC MOSFET開關(guān)損耗都會(huì)隨驅(qū)動(dòng)電阻、輸入電壓、負(fù)載電流的增大而增加;而SiC MOSFET開關(guān)延時(shí)受輸入電壓與負(fù)載電流影響相對(duì)較小,但也會(huì)隨驅(qū)動(dòng)電阻的增大而增加。
③相比典型抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),本文所提改進(jìn)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有效降低了開關(guān)延時(shí)與損耗,且隨著驅(qū)動(dòng)電阻、輸入電壓、負(fù)載電流增大,降低SiC MOSFET開關(guān)損耗的效果更明顯,進(jìn)一步說明本文所提方法在抑制串?dāng)_和提高開關(guān)特性方面更具優(yōu)勢(shì)。
引用本文
李輝, 黃樟堅(jiān), 廖興林, 鐘懿, 王坤. 一種抑制SiC MOSFET橋臂串?dāng)_的改進(jìn)門極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(2): 275-285. Li Hui, Huang Zhangjian, Liao Xinglin, Zhong Yi, Wang Kun. An Improved SiC MOSFET Gate Driver Design for Crosstalk Suppression in a Phase-Leg Configuration. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(2): 275-285.