葛小偉，張　瞾，曹　鴻，謝少軍

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京211106）

SiC MOSFET在航空靜止變流器中的應(yīng)用研究

葛小偉，張瞾，曹鴻，謝少軍

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京211106）

航空靜止變流器實(shí)現(xiàn)機(jī)載直流電到交流電的轉(zhuǎn)換，對(duì)功率密度、效率、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性和電氣性能等有較高的要求。碳化硅（SiC）半導(dǎo)體器件的開關(guān)速度快、高溫特性好，在航空靜止變流器中有很好的應(yīng)用前景，但目前關(guān)于寬禁帶器件在航空靜止變流器中應(yīng)用的研究比較少。首先結(jié)合現(xiàn)有的典型航空靜止變流器電路拓?fù)浞治隽薙iC MOSFET應(yīng)用的關(guān)鍵問題；然后針對(duì)航空靜止變流器逆變級(jí)的兩級(jí)級(jí)聯(lián)半橋逆變器，對(duì)比分析了應(yīng)用SiC MOSFET與Si MOSFET的損耗大小，分析結(jié)果表明在現(xiàn)采用的開關(guān)頻率下，即使現(xiàn)有SiC MOSFET導(dǎo)通損耗較大，但總損耗仍較?。磺议_關(guān)頻率越高，SiC MOSFET的效率優(yōu)勢(shì)越明顯，最后為適應(yīng)高開關(guān)頻率SiC MOSFET逆變器的需要設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)高開關(guān)頻率和寬占空比變化信號(hào)的SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，搭建了1臺(tái)500 VA、115 V/400 Hz兩級(jí)級(jí)聯(lián)半橋逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并驗(yàn)證了應(yīng)用SiC MOSFET的航空靜止變流器逆變級(jí)的可行性。

航空靜止變流器；SiC MOSFET；級(jí)聯(lián)逆變器；損耗分析；驅(qū)動(dòng)電路

引言

航空靜止變流器ASI（aeronautical static inverter）作為航空二次電源，其主要功能是將飛機(jī)上的發(fā)電機(jī)或蓄電池的28 V直流電轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嗷蛉嗟?00 Hz交流電，供飛機(jī)的用電設(shè)備使用。目前，由于航空靜止變流器輸入電壓范圍寬，且要求電氣隔離，一般采用兩級(jí)式的結(jié)構(gòu)，即由前級(jí)DC/DC直流變換器與后級(jí)DC/AC逆變器構(gòu)成。ASI的輸入電壓較低，其前級(jí)采用帶有電氣隔離和升壓能力的推挽正激變換器［1］或帶有漏感能量有源吸收電路的反激變換器［2］，其中的功率器件耐壓要求較低，目前適于采用Si MOSFET器件；后級(jí)逆變級(jí)有全橋逆變器、半橋逆變器、雙Buck逆變器等電路方案，且考慮到實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電路的模塊化、提高逆變級(jí)的等效開關(guān)頻率以減小濾波器要求等因數(shù)，目前多采用級(jí)聯(lián)電路［3］。由于400 Hz航空交流電源的電壓額定為115 V，若采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)逆變器，當(dāng)采用全橋電路逆變橋直流電壓僅需90 V和采用半橋或雙Buck電路時(shí)，單個(gè)逆變級(jí)直流電壓僅需180 V。

SiC MOSFET開關(guān)速度與開關(guān)損耗均優(yōu)于Si MOSFET［4~6］，適用于較高的開關(guān)頻率，從而可減小變換器體積重量并提高效率；SiC器件具有較好的溫度特性，可以承受更高的工作溫度，已有研究將SiC器件應(yīng)用在400℃的工作環(huán)境中［7］，可靠性高且需要的散熱器體積更小。對(duì)于航空靜止變流器而言，高功率密度、高效、較好的溫度特性以及高可靠性都是其重要指標(biāo)，研究SiC器件在航空靜止變流器的應(yīng)用十分必要。但由于已有的航空靜止變流器器件電壓等級(jí)要求較低，而現(xiàn)有的SiC器件更適合較高電壓場合，且航空靜止變流器的功率通常也僅為kVA等級(jí)，因此，目前鮮有文獻(xiàn)研究SiC MOSFET在航空靜止變流器的應(yīng)用問題。

本文針對(duì)兩級(jí)級(jí)聯(lián)半橋的航空靜止變流器，首先結(jié)合現(xiàn)有的器件對(duì)比分析應(yīng)用Si MOSFET和SiC MOSFET的損耗特點(diǎn)，研究SiC MOSFET在航空靜止變流器中應(yīng)用的可能性；其次，針對(duì)SiC MOSFET在高開關(guān)頻率下效率優(yōu)勢(shì)更為突出的特點(diǎn)，研究了SiC MOSFET高頻逆變器的驅(qū)動(dòng)電路；最后，基于研制的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證SiC MOSFET在航空靜止變流器中應(yīng)用的可行性。

圖1　航空靜止變流器逆變級(jí)電路Fig.1 Circuit of ASI’s back stage

1基于Si MOSFET和SiC MOSFET航空靜止變流器逆變級(jí)損耗對(duì)比

本文所研究的航空靜止變流器逆變級(jí)采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的半橋逆變器，電路如圖1所示。

以額定功率500 VA為例考慮開關(guān)管的選取。若靜止變流器的功率等級(jí)較大，高功率密度變換器內(nèi)部的熱源均勻分布，可以采用目前已很成熟的電路模塊并聯(lián)技術(shù)或在電路模塊內(nèi)采用多器件并聯(lián)。該逆變器單級(jí)額定輸入電壓為180 V，最高電壓限定在240 V以內(nèi)，所以開關(guān)管漏源極擊穿電壓VDSS高于300 V即可。500 VA變流模塊在額定狀態(tài)下的負(fù)載電流為4.3 A，考慮濾波器電容電流的影響，則開關(guān)管流過的峰值電流為8 A左右；基于航空靜止變流器的過載及短路電流、降額要求等因素，開關(guān)管最大漏極電流IDM可選為30 A左右。

以 30 A/300 V等級(jí)為依據(jù)選取合適的SiC MOSFET與普通的Si MOSFET進(jìn)行損耗對(duì)比。結(jié)合現(xiàn)有器件水平，選取的SiC MOSFET為ROHM公司的 SCT2120AF，Si MOSFET為 Infineon公司的IPB407N30N與ST公司的STB45N40DM2AG，具有代表性。3種器件的主要參數(shù)對(duì)比如表1所示，表1 中VDSS為MOSFET漏源極擊穿電壓，IDM為最大漏極電流，Rds（on）為導(dǎo)通電阻，Vth為驅(qū)動(dòng)閾值電壓，Ciss為輸入電容，Coss為輸出電容，Crss為轉(zhuǎn)移電容。從表中可以看出，SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)在于寄生電容??；Si MOSFET由于額定電壓較低，導(dǎo)通電阻更小。

在單級(jí)輸入電壓180 V、輸出電壓115 V/400 Hz、輸出功率500 VA、開關(guān)頻率32 kHz的條件下，對(duì)3種MOSFET進(jìn)行損耗分析對(duì)比，其中主要包括開關(guān)管導(dǎo)通損耗Pcon、開關(guān)損耗Psw、寄生電容Cds損耗以及驅(qū)動(dòng)損耗Pdrive。

［8］逆變器中開關(guān)器件的損耗分析模型，上述損耗的具體計(jì)算方法如下。

MOSFET的導(dǎo)通損耗Pcon為

式中：T為輸出電壓周期；Vds為MOSFET導(dǎo)通壓降；id為流經(jīng)MOSFET的電流。

MOSFET的開關(guān)損耗Psw為

式中：Vds（ton）與 Vdstoff為MOSFET開通與關(guān)斷時(shí)的耐壓；VDS與ID為數(shù)據(jù)手冊(cè)上 Eon與 Eoff的測試條件；fs為MOSFET開關(guān)頻率。

MOSFET寄生電容的損耗PCds為

式中，Cds為MOSFET漏源極間電容。

MOSFET驅(qū)動(dòng)損耗Pdrive為

式中：Vdrive為MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓；Qg為MOSFET柵極電荷。

逆變器電阻性負(fù)載時(shí)功率器件損耗較大。根據(jù)式（1）～式（4），在額定電阻性負(fù)載情況下計(jì)算得到的功率管損耗具體數(shù)據(jù)，如表2所示。表2數(shù)據(jù)單個(gè)器件的損耗，逆變級(jí)的總開關(guān)管損耗為單個(gè)器件的4倍。則應(yīng)用SCT2120AF時(shí)逆變級(jí)總損耗為5.80 W，應(yīng)用 IPB407N30N時(shí)為 6.36 W，應(yīng)用STB45N40 DM 2AG時(shí)為6.16 W。由數(shù)據(jù)可以看出，三者相差不大，應(yīng)用SiC器件時(shí)總開關(guān)管損耗略小。由此可見，雖然SiC MOSFET是高壓器件，但在此處仍具有一定的優(yōu)勢(shì)。

由表2還可以看出，雖然SiC器件導(dǎo)通損耗較大，但開關(guān)損耗與寄生電容損耗均小于其他2種型號(hào)的Si MOSFET。因?qū)〒p耗Pcon與開關(guān)頻率關(guān)系不大，而開關(guān)損耗Psw與寄生電容損耗PCds與開關(guān)頻率基本成正比關(guān)系［4-6］。若開關(guān)頻率進(jìn)一步提高，SiC MOSFET開關(guān)損耗與寄生電容的損耗優(yōu)勢(shì)將更加明顯。表2的損耗是在開關(guān)頻率為32 kHz時(shí)計(jì)算的，若開關(guān)頻率提高1倍到64 kHz，估算采用SCT2120AF的總損耗約為8 W，采用IPB407N 30N總損耗約為11 W，采用STB45N40DM2AG總損耗約為12 W。由此可見，開關(guān)頻率越高，應(yīng)用SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)越明顯。

低電壓等級(jí)的SiC MOSFET正在發(fā)展，結(jié)合SiC MOSFET耐壓高的特點(diǎn)對(duì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，SiC MOSFET在航空靜止變流器中的應(yīng)用價(jià)值將更大。

表1　MOSFET參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of MOSFETs parameters

表2　MOSFET損耗對(duì)比Tab.2 Comparison of loss for MOSFETs

2　航空靜止變流器中SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)

2.1SiC航空靜止變流器對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求

SiC MOSFET的應(yīng)用為航空靜止變流器提高開關(guān)頻率奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)，提高開關(guān)頻率是發(fā)揮SiC MOSFET優(yōu)勢(shì)的要求，提高開關(guān)頻率后可以減小對(duì)濾波器的要求，也可以提高變流器的動(dòng)態(tài)特性，但高開關(guān)頻率對(duì)功率器件驅(qū)動(dòng)電路的要求更高。

SiC MOSFET與Si MOSFET具有一般共性，都屬于電壓控制型開關(guān)器件。根據(jù)對(duì)SiC MOSFET開關(guān)特性的分析，其對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有如下要求：觸發(fā)脈沖有較快的上升和下降速度；驅(qū)動(dòng)回路阻抗不可太大，開通時(shí)需能夠快速對(duì)柵極電容進(jìn)行充電，關(guān)斷時(shí)柵極電容能夠快速放電；驅(qū)動(dòng)電路需能夠提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流；驅(qū)動(dòng)電路需提供足夠高的驅(qū)動(dòng)電壓，從而減小SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗；由于SiC MOSFET的開啟電壓較低，宜在關(guān)斷時(shí)為驅(qū)動(dòng)提供負(fù)壓，以保證SiC MOSFET可靠關(guān)斷，防止其誤導(dǎo)通，增強(qiáng)抗干擾能力；具備電氣隔離能力。特別地，針對(duì)高開關(guān)頻率逆變器應(yīng)用，由于控制信號(hào)為周期性的正弦脈寬調(diào)制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路必須能適應(yīng)寬范圍的占空比變化，信號(hào)傳輸失真小。

雖然SiC MOSFET具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)今其驅(qū)動(dòng)仍然是一個(gè)需要解決的問題。文獻(xiàn)［7］所設(shè)計(jì)的SiC驅(qū)動(dòng)電路采用了CMOS隔離芯片實(shí)現(xiàn)隔離，且為提供負(fù)壓采用了隔離DC/DC模塊，電路成本較高；文獻(xiàn)［9-10］所設(shè)計(jì)的SiC驅(qū)動(dòng)電路采用光耦隔離，抗干擾能力較弱，且需額外的隔離電源。上述驅(qū)動(dòng)電路方案都難以適應(yīng)航空靜止變流器的使用環(huán)境條件要求。

2.2適用于SiC逆變器的驅(qū)動(dòng)電路

航空靜止變流器逆變級(jí)采用橋式電路，一個(gè)橋臂上存在2個(gè)開關(guān)管，存在橋臂直通的問題。為保證SiC開關(guān)管可靠的關(guān)斷，采用負(fù)壓進(jìn)行關(guān)斷，且需要隔離；逆變級(jí)采用SCT2120AF型SiC MOSFET，驅(qū)動(dòng)電壓范圍為-6~22 V。本文在文獻(xiàn)［11］的電路基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到適用于SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。

圖中，驅(qū)動(dòng)電路輸入端輸入PWM波，由三極管Q1與Q2組成的圖騰柱放大電路對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大后，經(jīng)隔直電容C1后得到交流分量，交流分量由隔離變壓器T變換至變壓器副邊。取直電容C2與二極管D2使得直流電平得到恢復(fù)，C3與C4串聯(lián)作為獨(dú)立的浮動(dòng)供電電源為由Q3與Q4組成的圖騰柱電路供電。電路主要工作波形如圖3所示。

圖2　SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Drive circuit for SiC MOSFET

圖3　驅(qū)動(dòng)電路主要工作波形Fig.3 Key operating waveforms of driver circuit

當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，此時(shí)uD2為高電平，Q3導(dǎo)通，電容C3通過Q3對(duì)MOSFET柵極電容Cgs充電，使MOSFET導(dǎo)通。傳統(tǒng)的通過磁耦隔離的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電流受到變壓器漏感的限制，而該驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電流由儲(chǔ)能電容C3提供，不受限制，因此采用該電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，MOSFET柵極電壓上升速度更快。當(dāng)C3的電壓下降到一定程度時(shí)，又可以通過C2與二極管D1對(duì)其進(jìn)行充電。

當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，此時(shí)uD2為低電壓，Q4導(dǎo)通，MOSFET柵極電容Cgs通過Rg與Q4形成卸放回路。由電容C4與穩(wěn)壓管Z1可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的驅(qū)動(dòng)電壓，從而保證開關(guān)管可靠關(guān)斷。

該驅(qū)動(dòng)電路中變壓器副邊采用由原邊供電的儲(chǔ)能電容作為獨(dú)立供電電源，不再需要其他的隔離驅(qū)動(dòng)電源，簡化了電路。另外，MOSFET開通時(shí)由儲(chǔ)能電容供電，避免了耦合變壓器漏感與柵極電容諧振的問題。同時(shí)，變壓器副邊的波形復(fù)位通過取直電容C2進(jìn)行，由C3與C4組成的供電電源電壓穩(wěn)定，不會(huì)受到占空比的限制，而且驅(qū)動(dòng)電路對(duì)變壓器漏感的要求降低，通過適當(dāng)?shù)睦@制方法可以提高電路的電氣隔離能力。

2.3SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路是否可行，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)，變壓器原副邊匝比為1：1.9，供電電壓Vcc為+12 V，穩(wěn)壓管Z1穩(wěn)定電壓為3.3 V，驅(qū)動(dòng)電阻Rg為10 Ω，Rgs取10 kΩ。

開關(guān)頻率為32 kHz，逆變器調(diào)制比為0.8時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示。圖4（a）為占空比逐漸增加時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形，圖4（b）為一個(gè)橋臂上2個(gè)開關(guān)管在占空比最大與最小時(shí)的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)波形，圖4（c）為占空比最小時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形。

開關(guān)頻率為100 kHz時(shí)一個(gè)橋臂上的2個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖5所示，ugs1占空比為最小，ugs2占空為最大。

由實(shí)驗(yàn)波形可以看出，圖2中的驅(qū)動(dòng)電路能夠滿足SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)要求，適應(yīng)SPWM調(diào)制信號(hào)，且能滿足高開關(guān)頻率逆變器的驅(qū)動(dòng)要求。

圖4　開關(guān)頻率32 kHz時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形Fig.4 Waveforms of the driver for 32 kHz

圖5　100 kHz開關(guān)頻率時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形Fig.5 Waveforms of the driver for 100 kHz

3　基于SiC MOSFET的航空靜止變流器逆變級(jí)實(shí)驗(yàn)研究

3.1樣機(jī)參數(shù)

在應(yīng)用SiC MOSFET（SCT2120AF）的情況下對(duì)航空靜止變流器逆變級(jí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，樣機(jī)參數(shù)如表3所示。

3.2實(shí)驗(yàn)波形

表3　實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)Tab.3 Parameters of experimental prototype

圖6給出了逆變器在空載、250 VA、500 VA時(shí)的輸出電壓以及電感電流波形。

由圖6可以看出，應(yīng)用SiC MOSFET的逆變器在全負(fù)載范圍內(nèi)均能正常工作，且輸出電壓具有良好的正弦度。

3.3效率測試

圖6　逆變器輸出波形Fig.6 Output waveforms of the inverter

為驗(yàn)證使用SiC MOSFET的逆變器的高效性，對(duì)其進(jìn)行效率測試，測試曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，采用SiC MOSFET的逆變器最高效率可達(dá)97.3%，說明了SiC器件應(yīng)用于航空靜止變流器逆變級(jí)的可行性。

圖7　逆變器效率曲線Fig.7 Efficiency curve of the inverter

4結(jié)語

本文將SiC MOSFET應(yīng)用到航空靜止變流器逆變級(jí)（兩級(jí)級(jí)聯(lián)半橋逆變器）中，并在單級(jí)輸入180 V、輸出115 V/400 Hz、輸出功率500 VA、開關(guān)頻率32 kHz時(shí)對(duì)SiC MOSFET與Si MOSFET進(jìn)行了損耗對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明盡管SiC MOSFET為高壓器件，但用在此處效率與性能上仍然具有一定優(yōu)勢(shì)，且開關(guān)頻率越高優(yōu)勢(shì)將越明顯。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了一種適用于高開關(guān)頻率、寬占空比變化范圍的SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明該驅(qū)動(dòng)電路具有良好的驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)航空靜止變流器的后級(jí)兩級(jí)級(jí)聯(lián)半橋逆變器的實(shí)驗(yàn)研究和效率測試表明，應(yīng)用SiC MOSFET的兩級(jí)級(jí)聯(lián)半橋逆變器能夠穩(wěn)定工作且最高效率可達(dá)97.3%，證明SiC MOSFET應(yīng)用于航空靜止變流器逆變級(jí)的可行性。

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Application and Investigation of SiC MOSFET in Aeronautical Static Inverters

GE Xiaowei，ZHANG Zhao，CAO Hong，XIE Shaojun
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

The aeronautic static inverters（ASIs）which convert the airborne DC bus voltage to constant 400 Hz AC voltage are critical to the requirements of power density，efficiency，environment adaptability，reliability and electrical properties.The SiC semiconductor devices with high switching speed and good performance under high temperature have good promise to be applied in ASIs，but now there is still less research on using the wide range band gap power switches in ASIs.First，the key issues of applying SiC MOSFETs to ASIs is analyzed based on the typical ASI topology in this paper.Then considering the inverter cascaded by two half bridges，the losses of Si MOSFET-based and SiC MOSFET-based are compared.The comparison results show that the SiC MOSFET inverter’s total loss is less even though its onstate loss is high and the efficiency merit of SiC MOSFET inverters is more prominent with the switching frequency increasing.Finally，to meet the requirements of high switching frequency SiC MOSFET inverters，a drive circuit which adapts to high switching frequency and wide range PWM signals is designed.a two-stage cascaded 115 V/400 Hz halfbridge inverter rated at 500 VA is developed to validate the feasibility of the ASI with SiC MOSFETs.

aeronautical static inverter；SiC MOSFET；cascade inverter；loss analysis；drive circuit

葛小偉

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.66

TN 386.1

A

2016-01-11

葛小偉（1991-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：功率電子變換技術(shù)，E-mail：gxw345@163.com。

張曌（1993-），男，博士研究生，研究方向：功率電子變換技術(shù)，E-mail：zhao.zz. zhang@nuaa.edu.cn。

曹鴻（1993-），男，碩士研究生，研究方向：功率電子變換技術(shù)。E-mail：caohong@nuaa.edu.cn。

謝少軍（1968-），男，博士，教授，研究方向：功率電子變換技術(shù)及航空電源系統(tǒng)，E-mail：eeac@nuaa.edu.cn。