【摘 要】
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高频光伏直流变换器是光伏发电系统的核心环节之一。在高频光伏直流变换器中,金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)开关损耗的准确估算是变换器电路参数优化、散热设计所要考虑的重要因素。本文围绕高频光伏直流变换器中功率MOSFET损耗建模展开研究。本文首先研究了功率MOSFET寄生参数提取与建模方法
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“分布式光伏多端口接入直流配电系统关键技术和装备(2018YFB0904100)”所属课题“中压与低压分布式光伏直流变换器研制(2018YFB0904102)”2018.07-2021.06; 国家电网有限公司总部科技项目(SGHB0000KXJS1800685);
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高频光伏直流变换器是光伏发电系统的核心环节之一。在高频光伏直流变换器中,金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)开关损耗的准确估算是变换器电路参数优化、散热设计所要考虑的重要因素。本文围绕高频光伏直流变换器中功率MOSFET损耗建模展开研究。本文首先研究了功率MOSFET寄生参数提取与建模方法;基于所提取的寄生参数,分析了寄生参数影响下的功率MOSFET开关暂态,提出了一种简洁易用的功率MOSFET开关损耗计算模型;然后在此基础上,考虑LLC谐振变换器电路结构与工作特点,建立了LLC谐振变换器中功率MOSFET损耗计算模型。并且在Pspice中搭建仿真电路,对本文所建立的功率MOSFET计算模型进行验证;此外,也搭建了实验平台对本文部分研究内容进行了实验验证。主要工作内容如下:(1)针对功率MOSFET中寄生电容与跨导系数存在的非线性特征会造成此类参数提取困难的问题。根据功率MOSFET开关过程的工作区域对非线性电容进行分段,建立了非线性寄生电容分段等效模型;通过对跨导系数线性近似,推导出一种跨导系数取值计算式。此外,也研究了功率回路与器件封装寄生电感提取方法。(2)针对寄生参数造成功率MOSFET开关损耗建模复杂的问题,提出了一种考虑寄生参数的功率MOSFET开关损耗简化计算模型。首先基于所提取的寄生参数,分析寄生参数影响下的开关过程,将开关过程中的模态合理划分,通过对各模态电流、电压波形进行分段线性近似处理,避免了求解微分方程组,推导出了相应模态的持续时间及开关损耗计算公式。(3)通过对LLC变换器进行时域分析,获得变换器中功率MOSFET通态电流时域解析式与关断电流数值,结合所提出的功率MOSFET开关损耗计算模型,并且考虑半桥结构下的器件关断暂态特点,建立了LLC谐振变换器功率损耗计算模型。(4)在Pspice中搭建相关仿真电路,对上述研究内容进行了仿真验证。通过对比MOSFET损耗仿真值与所提出方法计算值,验证了所提方法的准确性与合理性。搭建硬件实验电路,对本文第三章建立的功率MOSFET开关损耗简化计算模型进行了验证,通过对比理论值与测量值,验证了计算方法的合理性。
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