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通过硅与碳化硅器件的电感解耦提升混合逆变器性能
Enhancing Hybrid Inverter Performance Through Inductive Decoupling of Silicon and Silicon Carbide Devices
| 作者 | Michael Walter · Mark-M. Bakran |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 多物理场耦合 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 牵引混合开关逆变器 效率提升 SiC - MOSFET 解耦方法 系统损耗评估 |
语言:
中文摘要
本研究的核心目标是提高一款设计用于在 400 V 直流母线电压下运行的牵引混合开关逆变器的效率。这一目标通过将分立的 650 V 硅绝缘栅双极型晶体管(Si - IGBT)和续流二极管与 650 V 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC - MOSFET)进行并联组合来实现。本研究提出了一种创新方法,即引入额外的电感,将 SiC - MOSFET 半桥与 IGBT/硅二极管半桥解耦。这种解耦方法有效降低了有源 SiC - MOSFET 的开通损耗和无源硅二极管的关断损耗,与非解耦配置相比,显著降低了混合开关逆变器的总损耗。通过仿真对混合开关逆变器的系统损耗进行了全面评估,并随后通过实验装置进行了验证。这些实验装置包括双脉冲测试配置和 H 桥逆变器测试装置,确保了研究结果的准确性和可靠性。在对仿真模型进行实验验证后,计算了一个驱动周期的平均损耗,以确定最佳的解耦电感值。
English Abstract
The central focus of this research is to enhance the efficiency of a traction hybrid switch inverter designed to operate at a DC-link voltage of 400 ,V . This enhancement is accomplished through the integration of discrete 650 ,V Si-IGBTs and freewheeling diodes in conjunction with 650 ,V SiC-MOSFETs, forming a parallel configuration. The study describes an innovative approach involving the introduction of an additional inductance to decouple the SiC-MOSFET half-bridge from the IGBT/Si-Diode half bridge. This decoupling methodology effectively mitigates the turn-on losses of the active SiC-MOSFET and the turn-off losses of the passive Si-diode, resulting in a notable reduction in overall losses within the hybrid-switch inverter compared to a non-decoupled configuration. The comprehensive assessment of the system losses within the hybrid-switch inverter is conducted through simulations and subsequently validated via experimental setups. These experimental setups encompass a double pulse test configuration and an H-bridge inverter test setup, ensuring the accuracy and reliability of the research findings. After experimental validation of the simulation model the average losses of a driving cycle are calculated, to find the best decoupling inductance value.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于电感解耦的硅基IGBT与碳化硅MOSFET混合逆变器技术具有重要的应用价值和战略意义。
该技术通过在SiC-MOSFET半桥与IGBT/Si二极管半桥之间引入解耦电感,有效降低了SiC-MOSFET的开通损耗和硅二极管的关断损耗,这与我们在光伏逆变器和储能变流器产品中追求的高效率目标高度契合。特别是在400V直流母线电压应用场景下,这种混合拓扑能够在保持成本竞争力的同时提升系统效率,对我们的户用储能系统和中小功率光伏逆变器产品线具有直接的借鉴意义。
从技术成熟度评估,该方案已完成从仿真到双脉冲测试再到H桥逆变器验证的完整链路,并通过驱动循环优化了解耦电感参数,表明技术已达到工程化应用的前期阶段。这种渐进式的Si/SiC混合方案为我们提供了一条在全SiC方案成本仍然较高背景下的过渡路径,既能实现效率提升,又能控制物料成本增长。
然而,应用挑战同样明显:解耦电感的引入会增加系统体积和复杂度,这与我们追求高功率密度的产品趋势存在矛盾;并联器件的参数一致性和热管理难度也会上升;此外,该研究聚焦于牵引应用场景,其工况特性与光伏、储能的连续运行模式存在差异,需要重新评估在可再生能源应用中的损耗分布和最优电感值。
建议我们的研发团队关注这一技术方向,特别是在新一代组串式逆变器和户用储能产品中开展可行性评估,同时加强与高校的合作,探索适合新能源场景的优化方案。