基于高压SiC MOSFET模块的ANPC变流器叠层母排分析与设计研究

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随着电力电子装置高效率、高功率密度的发展,3.3kV碳化硅(SiC)模块将在高压大功率场合中具有广阔的应用前景。与硅(Si)器件相比,SiC器件因其更快的开关速度,对换流回路寄生参数更加敏感,易承受更大的电气应力。叠层母排作为换流回路寄生电感的主要来源,其合理化设计对高压SiC模块的动态性能提升具有重要意义。为实现基于高压SiC模块的叠层母排精确化、合理化设计,须解决以下两方面的问题:第一,换流回路寄生参数分布的隐蔽性强,难以进行定量化分析;第二,叠层母排中换流回路的互感特性会影响功率器件的动态特性。针对第一类问题:本文首先对换流回路中的多类组成部件介绍了寄生参数的RLC基本电路模型;然后利用高频开关器件易在关断过程中激发出LC欠阻尼振荡的特性,通过提取关断瞬态的电压振荡频率,实现了叠层母排、功率模块以及薄膜电容器10n H-100n H范围内寄生电感的提取,与阻抗分析仪的提取结果相比,相对误差在10%以内。针对第二类问题:本文以三电平叠层母排为研究对象,首先构建了换流回路寄生电感的通用矩阵模型;然后对该矩阵模型的降阶与解耦,从而提出了一种并联支路间互感计算方法;最后实验提取了叠层母排并联支路间的互感,与理论计算结果相比,相对误差仅在5%以内,为评估不同器件并联方式对叠层母排性能的影响提供了理论依据。基于以上两类问题的研究,本文针对3.3kV SiC模块的封装结构和布局方式分析了四种叠层母排结构的优缺点。然后从换流回路寄生电感、并联支路对称性、以及并联支路间互感三个方面,完成了器件并联型有源中点箝位三电平叠层母排的对称性和低感化设计。最后利用所设计的叠层母排搭建了3.3k V SiC模块的测试平台,并对叠层母排中各类换流回路进行了高压实验验证。结果表明,本文所设计的叠层母排具有较高的并联支路对称性与换流回路的低寄生电感特性。本文的研究内容将为3.3k V SiC模块在高压大容量领域中的应用提供理论与实践基础。
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