高功率密度碳化硅MOSFET软开关三相逆变器损耗分析

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标签:开关频率(19)逆变器(1002)MOSFET(1408)

  相比硅 IGBT,碳化硅 MOSFET 拥有更快的开关速度和更低的开关损耗。 碳化硅 MOSFET 应用于高开关频率场合时其开关损耗随着开关频率的增加亦快速增长。 为进一步提升碳化硅 MOSFET 逆变器的功率密度,探讨了采用软开关技术的碳化硅 MOSFET 逆变器。 比较了不同开关频率下的零电压开关三相逆变器及硬开关三相逆变器的损耗分布和关键无源元件的体积, 讨论了逆变器效率和关键无源元件体积与开关频率之间的关系。 随着开关频率从数十 kHz 逐渐提升至数百 kHz,软开关逆变器不仅能够维持较高的转换效率,还能取得更高的功率密度。 最后,在 1 台 9 kW 软开关三相逆变器和 1 台 9 kW 硬开关逆变器上进行了实验验证。

  三相逆变器在光伏发电装置、风力发电系统等分布式发电系统中广泛应用。 受制于器件的开关损耗, 这些发电装置的开关频率一般不超过 10 kHz。近年来,碳化硅 MOSFET 器件由于具有更快的开关速度和更低的开关损耗等特点而受到关注 。 2007 年,Cree 公司的 1 200 V 碳化硅 MOSFET 首先应用于 1 台 7 kW 的两电平光伏逆变器,该逆变器开关频率为 16.6 kHz,峰值效率达到 97.8% [2鄄3] 。 文献[4鄄5] 搭建了采用全碳化硅 MOSFET 和碳化硅二极管的 20 kW 三相 T 型三电平光伏逆变器,该逆变器开关频率为 20 kHz,效率达到 99%;文献[6]评估了采用 Cree 公司第 2 代 1 200 V/50 A 碳化硅 MOSFET 模块的 10 kW 两电平逆变器, 该逆变器在开关频率 16 kHz 下峰值效率大于 99%, 而在 24 kHz 下峰值效率依然达到 98.7%。 然而,当碳化硅逆变器工作于 开 关 频 率 几 十 kHz 甚 至 100 kHz 时 , 碳 化 硅MOSFET 器件的开关损耗随开关频率的增加亦快速增长[7鄄9] 。为进一步提升碳化硅 MOSFET 三相逆变器性能,软开关技术是值得探讨的一种途径。

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