中壓SiC-MOSFET轉(zhuǎn)換器中的濾波電感器接地電流建模

使用寬帶隙 （WBG） 器件設(shè)計(jì)電子轉(zhuǎn)換器確實(shí)存在與高 dv/dt 瞬態(tài)相關(guān)的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兺ǔ?huì)導(dǎo)致有源和無(wú)源元件中的寄生參數(shù)。WBG 器件的 dv/dt 比硅基 IGBT 大，眾所周知，硅基 IGBT 廣泛用于大功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。表 1 提供了基于 Si 的模塊和基于 SiC-MOSFET 的模塊之間基于其開(kāi)關(guān)速度的比較。兩種在本質(zhì)上占主導(dǎo)地位的寄生電容，即匝間寄生電容和匝間電容，已被專(zhuān)門(mén)用于濾波電感器。為了分析寄生電容的目的，已經(jīng)詳細(xì)列出了兩種建模方法。在這里可以注意到，被稱(chēng)為匝間和匝間的兩個(gè)電容已經(jīng)組合成一個(gè)等效電容。電感器的電容是不同的，它完全取決于鐵芯的電壓電位和繞組固定或連接鐵芯的電壓。當(dāng)磁芯處于浮動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電感器和變壓器的磁芯的電壓電位將高于中壓應(yīng)用。具有三個(gè)端子的網(wǎng)絡(luò)由變壓器和具有接地連接的電感器形成。本文比較了器件 MV SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)行為以及磁芯/框架浮動(dòng)和磁芯/框架接地電感對(duì)其的影響。最后，

表 1：開(kāi)關(guān)速度比較

框架浮動(dòng)和框架接地中壓電感器的比較

圖 1 顯示了分析的 MV 30mH 電感器。它的額定電流為 10 A，基于納米晶磁芯。實(shí)驗(yàn)室電路圖中的雙脈沖測(cè)試如圖 2 所示。定制封裝的半橋 10 kV SiC MOSFET 的功率模塊可實(shí)現(xiàn)雙脈沖設(shè)置。借助 200 MHz Pearson TM精確測(cè)量高頻電流2877 個(gè)監(jiān)視器 。已經(jīng)使用兩個(gè)案例來(lái)測(cè)試這種類(lèi)似的脈沖測(cè)試。在情況 1 中，被測(cè)試的 MV 電感器上沒(méi)有接地連接，或者可以說(shuō)鐵芯/框架是浮動(dòng)的，而在情況 2 中，鐵芯/框架已經(jīng)接地，這意味著已經(jīng)提供了一個(gè)接地連接中壓電感的接地點(diǎn)到直流母線(xiàn)的接地點(diǎn)。圖 3 顯示了在 3 kV 鏈路電壓和 12 A 峰值負(fù)載電流下進(jìn)行的測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖 4 顯示了接地電流對(duì)整個(gè)電源電路的影響，并清楚地提到了負(fù)載和接地電流的路徑。借助該實(shí)驗(yàn)，可以得出結(jié)論，在關(guān)斷期間僅將接地電流添加到 id+（HS MOSFET 電流），與此概念相反，將接地電流添加到 id-（LS MOSFET 電流）在開(kāi)啟期間。高頻分量增加了電磁干擾，因此在開(kāi)關(guān)過(guò)程中能量耗散增加。

圖1：中壓電感30mH

圖 2：雙脈沖測(cè)試裝置的電路圖

圖 3：（a） 浮動(dòng)鐵芯/框架 （b） 接地鐵芯/框架的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖 4：（a） 關(guān)閉 （b） 開(kāi)啟期間的電流路徑

通用三端等效電路

本文的這一部分是關(guān)于一般三端等效電路的介紹，該電路已經(jīng)為繞組到繞組和繞組到地之間存在的電容耦合制定了公式。圖 5 （a） 顯示了磁芯/框架接地的電感器示意圖，而圖 5 （b） 顯示了解決任意兩個(gè)端子之間電容耦合的阻抗。這里，端子 1 和 2 表示電源連接，端子 3 表示框架/核心接地的連接。圖 6 清楚地顯示了使用保護(hù)技術(shù)測(cè)量阻抗的三個(gè)步驟。

圖 5：電感等效電路

圖 6：阻抗測(cè)量步驟

模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了簡(jiǎn)化所提到的模擬，確定中壓電感的 Y 13很重要。圖 7 顯示了擬合導(dǎo)納和測(cè)量導(dǎo)納之間的比較。仿真表明，中壓雙脈沖測(cè)試測(cè)得的輸出電壓與勵(lì)磁電壓相匹配。隨著更高的 dv/dt，接地電流以非線(xiàn)性方式增加，因?yàn)槎俗又g的阻抗不是一階系統(tǒng) 。

結(jié)論

本文分析了在核心/框架接地的情況下，基于 MV SiC-MOSFET 的轉(zhuǎn)換器的濾波電感器中的接地電流。這實(shí)際上被認(rèn)為是大功率電感器的常見(jiàn)解決方案。本文展示的行為模型具有模擬電感雙脈沖測(cè)試的接地電流的能力。在電壓 dv/dt 的較高電位下，接地電流以非線(xiàn)性方式增加，這有助于平衡電源模塊、柵極驅(qū)動(dòng)器和濾波器的設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷