← 返回
功率器件技术 SiC器件 IGBT ★ 5.0

采用可选有源电流均衡的并联SiC MOSFET模块中降低过冲、振荡及dV/dt产生

Reduced Overshoots, Oscillations, and $dV/dt$ Generation in Parallel Connected SiC MOSFET Modules With Optional Active Current Balancing

作者 Mason Parker · Sebastián Neira · Edward L. Horsley · Stephen Finney · Paul D. Judge
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年9月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件 IGBT
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 碳化硅MOSFET 功率转换器 电流平衡 开关性能 输出电压dV/dt
语言:

中文摘要

与功率转换器中的硅绝缘栅双极型晶体管(IGBT)相比,碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)具有更高的开关速度、更小的滤波元件尺寸和更低的开关损耗。然而,可用的模块电流额定值、加剧的振荡开关行为、较大的漏源电压过冲以及较高的输出电压 $dV/dt$ 水平,都是其在中高功率应用中推广的限制因素。此前已证明,采用具有开关沿偏斜特性的器件间电感是一种在模块并联时限制电流不平衡的方法。本文表明,通过精确控制此类配置中各模块之间施加的时序偏斜,可以显著降低过冲、振荡以及输出电压 $dV/dt$。此外,如果加入电流反馈,则可以改变模块的开关顺序,以实现固定偏斜的有源电流平衡策略。本文详细分析了所有这些效应背后的机制,重点关注所施加的时序偏斜和器件间电感对改善效果的影响。本文还利用 400 A、1.2 kV 的半桥模块进行了实验研究,验证了电流平衡、开关性能的改善以及输出电压 $dV/dt$ 的降低,实验中最多有 4 个模块并联,总负载电流达 1600 A。

English Abstract

Silicon Carbide mosfets offer increased switching speeds, reduced filtering component sizes and lower switching losses when compared to Silicon IGBTs in power converters. However, available module current ratings, increased oscillatory switching behavior, large drain-source voltage overshoots, and high output voltage dV/dt levels are all limiting factors to their adoption in medium to high-power applications. The use of inter-device inductances with switching edge skewing has previously been demonstrated as a method of limiting current imbalances when paralleling modules. This article shows that by precisely controlling the timing skews applied between modules in such arrangements, substantial overshoot, oscillation, and output voltage dV/dt reductions can also be achieved. In addition, if current feedback is included, the module switching order can be varied to facilitate a fixed-skew active current balancing strategy. The mechanisms behind all of these effects are analyzed in detail, focusing on the impact of applied timing skew, and inter-device inductance on the improvements. An experimental investigation validating the current balancing, switching performance improvements, and reduced output voltage dV/dt is also presented using 400 A 1.2 kV half-bridge modules, with up to 4 modules in parallel at a total load current of 1600 A.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于并联SiC MOSFET模块的优化控制技术具有重要的应用价值。当前我们在大功率光伏逆变器和储能变流器产品中正面临功率等级提升与开关性能优化的双重挑战,该技术提供了一个切实可行的解决方案。

该研究通过精确控制并联模块间的时序偏移和器件间电感,在实现1600A大电流应用的同时,有效抑制了SiC MOSFET固有的电压过冲、振荡和高dV/dt问题。这对我们的MW级以上集中式逆变器和储能PCS产品意义重大。首先,降低的dV/dt可显著减轻对电机绕组、变压器等负载的绝缘应力,延长系统寿命;其次,抑制振荡和过冲能提升系统可靠性,降低EMI滤波器设计难度,这直接关系到产品的电磁兼容性能和成本控制。

特别值得关注的是其提出的主动均流策略。通过电流反馈动态调整模块开关顺序,可在固定时序偏移下实现精确均流,这为我们解决并联模块热应力不均、降额使用等工程难题提供了新思路。相比传统的被动均流方案,该方法在保持快速开关特性的同时实现了更好的动态平衡。

从技术成熟度评估,该方案已在400A/1.2kV模块上完成四并联验证,技术路径清晰。但实际应用仍需关注:精确时序控制对驱动电路的复杂度要求、不同工况下最优偏移量的自适应算法开发、以及量产一致性控制等挑战。建议我们的研发团队深入评估该技术在350kW以上组串逆变器和液冷储能系统中的集成可行性,这将成为下一代高功率密度产品的关键技术储备。