Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结温估测及热电性能优化控制

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SiIGBT/SiCMOSFET混合器件的出现打破了碳化硅(Silicon Carbide, SiC)基器件所处的困境,有力地推动了SiC基器件的发展和应用,为电力电子技术的发展提供了全新的思路。但混合器件发展时间较短,目前针对混合器件的研究大多数都集中在器件性能的对比验证和初步的性能优化。众所周知,结温是影响功率半导体器件可靠性和寿命的重要因素,然而到目前为止尚未出现一种简便有效的混合器件运行结温估测方法。其次,混合器件由两种不同材料的器件并联组成,这种并联结构通常存在器件运行结温不平衡,从而导致某一器件无法发挥出性能优势。此外,混合器件在实际应用中易出现结温优化和性能优化出现冲突的问题。为此,需要针对这些亟需解决的问题开展理论分析和实验研究,寻找合适的解决方案,从而进一步优化混合器件的热电性能和提升混合器件的实用价值。在以往研究基础上,本论文围绕混合器件开展了多项研究工作。主要工作内容如下:
  1、混合器件作为一种新技术,其特性与传统器件相比有很大不同,因此混合器件特性探究续研究工作的基础。本文首先阐述了混合器件的选型要求,确定了混合器件设计方案。最后通过仪器设备详细测试和分析了混合器件的静态输出特性,并设计混合器件动态特性测试电路,探究了混合器件动态特性。
  2、针对混合器件损耗计算和结温估测的难题,本论文根据混合器件导通和开关特性,建立了能够准确计算混合器件损耗的数字模型。该损耗模型反映了混合器件导通后内部器件的分流情况,也描述了混合器件开关延时时间对混合器件开关特性造成了影响。随后,本论文根据热传导路径,建立了适用于混合器件的热阻抗网络。最后利用损耗模型和热阻抗网络进行混合器件结温估测。
  3、针对混合器件往往因采用不恰当的驱动模式,在变换器实际运行过程中无法发挥出极限性能的问题,本文设计了适用于混合器件的主动结温控制策略和多目标优化控制策略。最后,对本文提出的两种混合器件热电性能优化控制策略进行了实验验证。jii
  通过总结本文研究工作发现,混合器件综合了两种不同材料器件各自的优势,展示出了更高的性价比、灵活性、可靠性。本文提出的损耗模型和结温估测方法,使得混合器件结温估测更加简洁方便,为解决混合器件结温估测的难题提供了新的思路。而采用优化控制策略的混合器件运行结温得到优化的同时,工作性能也得到提升,对混合器件的推广应用起到了一定积极作用。
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