基于SiC MOSFET的直流固態(tài)變壓器優(yōu)化設(shè)計與可靠性評估.pdf

1、隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，直流分布式電源和負荷的容量急劇增長，直流配電網(wǎng)的應用和示范，成為未來電網(wǎng)的一大關(guān)鍵技術(shù)特征。其中，直流固態(tài)變壓器（DC Solid State Transformer，DC-SST），是直流配電網(wǎng)中的核心設(shè)備，主要用于電能的變換和傳輸，減少換流環(huán)節(jié)損耗，控制電能的雙向流動，以及實現(xiàn)電氣隔離。高效、高功率密度和高可靠，是DC-SST的發(fā)展趨勢。寬禁帶SiC功率器件憑借其優(yōu)良的電熱特性，能有效提升DC-SST的各項性

2、能指標。本文以典型的雙向雙有源橋（Dual Active Bridge，DAB）拓撲為研究對象，圍繞DC-SST的優(yōu)化設(shè)計和運行可靠性評估展開研究，對比傳統(tǒng)Si IGBT器件，基于理論分析、仿真結(jié)果和樣機實驗，驗證了SiC MOSFET在DAB中的應用優(yōu)勢。本文主要內(nèi)容如下：
　?、俳⒘薉C-SST的小信號模型，基于DAB拓撲及其單移相調(diào)制方式，設(shè)計了電壓閉環(huán)控制器，并利用仿真結(jié)果和樣機實驗結(jié)果，驗證了控制算法準確性和有效性。通

3、過DAB工作狀態(tài)分析，建立了其傳遞函數(shù)模型，并設(shè)計閉環(huán)補償器，對比了補償前后的系統(tǒng)頻響特性。參考實際直流配電網(wǎng)的干擾源，利用仿真結(jié)果，評估了電壓閉環(huán)控制器應對變換器輸入端電壓含低頻擾動，及輸出端負載大幅度階躍等系統(tǒng)抗干擾的能力?；诒疚拇罱ǖ?DC-SST樣機平臺，使用實驗結(jié)果，驗證了DC-SST的抗干擾能力，及其電壓閉環(huán)控制策略的有效性。
　?、卺槍C-SST高效、高功率密度的需求，提出了DC-SST的優(yōu)化設(shè)計方法，研究了高頻

4、變壓器寄生參數(shù)的分布規(guī)律和控制方法，給出了輔助電感的優(yōu)化整定方案，對比評估了SiC MOSFET和Si IGBT器件的靜態(tài)和動態(tài)特性?；贏p法，給出了變壓器本體磁芯材料及尺寸的選型設(shè)計，基于ANSYS有限元分析，揭示了繞組漏磁場的分布規(guī)律，并給出了漏感最低的交錯式繞組結(jié)構(gòu)。此外，提出了DC-SST輔助電感的設(shè)計模型，以傳輸功率下限、器件電流應力上限、電流有效值上限作為邊界條件規(guī)定有效工作區(qū)，從而確定不同 DC-SST工作頻率下的輔助電

5、感取值范圍，并為樣機工作點的選取提供依據(jù)。對比研究了功率器件的電學特性，針對相同功率等級的SiC MOSFET和Si IGBT，評測了不同結(jié)溫下器件的閾值電壓、輸出特性和導通電阻等靜態(tài)特性，以及不同驅(qū)動電阻下器件的開關(guān)速度、開關(guān)損耗等動態(tài)特性。搭建含直流電源和電子負載的測試平臺，基于DAB電路拓撲，研制了3kW SiC直流固態(tài)變壓器樣機，功率密度3kW/L，最高工作效率達97％（50kHz時），最高工作頻率達200kHz。
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6、針對DC-SST的應用可靠性，考慮器件的多源熱耦合效應，基于功率器件的壽命模型，結(jié)合器件級的多物理場有限元分析，以及電路級的電熱聯(lián)合仿真，提出了DC-SST的可靠性評估模型。建立SiC MOSFET和Si IGBT器件的電-熱-力多物理場耦合模型，基于 Anand結(jié)構(gòu)模型建立焊層疲勞指標，使用 Morrow物理模型確定器件壽命，基于Coffin-Manson模型揭示結(jié)溫波動與器件壽命的規(guī)律。通過加速壽命試驗結(jié)果，驗證了上述壽命模型的準確

7、性?？紤]到SiC DC-SST具有較高的功率密度，變換器中的功率器件之間，具有強烈的熱耦合效應。為準確評估 DC-SST的可靠性，針對本文中的樣機，基于有限元分析，建立了變換器系統(tǒng)的熱耦合模型，有效提取出耦合熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。針對典型日負荷曲線，計及多熱源耦合效應，通過電熱聯(lián)合仿真，建立器件結(jié)溫波動規(guī)律，基于雨流計數(shù)和器件壽命模型，計算得到DC-SST中的SiC MOSFET器件壽命為Si IGBT器件的4.47倍。因此，SiC器件應用于DC