如何为中压SiC-MOSFET转换器的滤波电感器的接地电流建模

在设计使用宽带隙 (WBG)的电子转换器时，高 dv/dt 瞬变是挑战背后的原因通常以存在于它们的有源和无源组件中的寄生参数的形式引起的设备 [1][2][3][4]。值得注意的是，WBG 器件的 dv/dt 大于已知广泛用于大功率转换器设计的 Si 基 IGBT。可以在表 1 中观察到基于 Si 的模块和基于 SiC-MOSFET 的模块的开关速度之间的比较。 两个本质上占主导地位的寄生电容，寄生匝间电容和匝间电容专门为滤波电感器确定 [5] [6]。为了分析寄生电容，已经详细说明了两种建模方法。这里可以注意到，被称为匝间和匝间的两个电容已组合成等效电容 [7]。电感器的电容是不同的，它完全取决于铁芯的电压电位和绕组的电压，固定或连接这个铁芯[8]。当磁芯处于浮动状态时，电感器和变压器的磁芯的电压电位会高于中压应用。具有三个端子的网络由具有接地连接的变压器和电感器形成。本文比较了 MV SiC MOSFET 器件的开关行为以及磁芯/框架浮动和磁芯/框架接地电感器对它们的影响。最后，

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表 1：开关速度比较

框架浮动和框架接地中压电感器的比较

图 1 显示了分析的 MV 30mH 电感器。它的额定电流为 10 A，基于纳米晶磁芯。实验室电路图中的双脉冲测试如图 2 所示。定制封装的半桥 10 kV 碳化硅 MOSFET 的功率模块支持双脉冲设置 [2]。借助 200 MHz Pearson TM精确测量高频电流2877 个监视器 [10]。已使用两个案例来测试这种类似的脉冲测试。在情况 1 中，所测试的中压电感器上没有接地连接，或者可以说铁芯/框架是浮动的，而在情况 2 中，铁芯/框架已接地，这意味着已经提供了一个接地连接中压电感器的接地点到直流母线母线的接地点 [12]。图 3 显示了在具有 12 A 峰值负载电流的 3 kV 链路电压下进行的测试的实验结果。图 4 显示了接地电流对整个电源电路的影响，并清楚地提到了负载和接地电流的路径。借助该实验可以得出结论，接地电流仅在关断期间添加到 id+（HS MOSFET 电流），与此概念相反，接地电流添加到 id-（LS MOSFET 电流）在导通期间。由于开关过程中能量耗散增加，高频分量会增加电磁干扰。

图 1：中压电感 30mH

图 2：双脉冲测试装置电路图

图 3：(a) 浮动磁芯/框架 (b) 接地磁芯/框架的实验结果

图 4：(a) 关闭 (b) 开启期间的电流路径

通用三端等效电路

文章的这一部分是关于通用三端等效电路的介绍，该电路是为存在于绕组到绕组和绕组对地之间的电容耦合而制定的 [11]。图 5 (a) 显示了磁芯/框架接地的电感器示意图，而图 5 (b) 显示了解决任意两个端子之间电容耦合的阻抗。此处，端子 1 和 2 表示电源连接，端子 3 表示框架/核心接地的连接。图 6 清楚地显示了使用保护技术进行阻抗测量的三个步骤。

图 5：电感等效电路

图 6：阻抗测量步骤

模拟和实验验证

为了简化上述模拟，确定中压电感器的 Y 13很重要。图 7 显示了拟合导纳和测量导纳之间的比较。仿真表明，使用 MV 双脉冲测试测得的输出电压与励磁电压相匹配。由于 dv/dt 较高，接地电流以非线性方式增加，因为端子之间的阻抗不是一阶系统 [12]。

图 7：拟合导纳与实测导纳的比较

结论

本文分析了在磁芯/框架接地的情况下，基于 MV SiC-MOSFET 的转换器的滤波电感器中的接地电流。这实际上被认为是大功率电感的常见解决方案。本文展示的行为模型具有模拟电感双脉冲测试接地电流的能力。在电压 dv/dt 的较高电位下，接地电流以非线性方式增加，这有助于平衡电源模块、栅极驱动器和滤波器的设计过程。

审核编辑：汤梓红