中压SiC-MOSFET转换器中的滤波电感器接地电流建模

使用宽带隙 （WBG） 器件设计电子转换器确实存在与高 dv/dt 瞬态相关的挑战，因为它们通常会导致有源和无源元件中的寄生参数。WBG 器件的 dv/dt 比硅基 IGBT 大，众所周知，硅基 IGBT 广泛用于大功率转换器设计。表 1 提供了基于 Si 的模块和基于 SiC-MOSFET 的模块之间基于其开关速度的比较。两种在本质上占主导地位的寄生电容，即匝间寄生电容和匝间电容，已被专门用于滤波电感器。为了分析寄生电容的目的，已经详细列出了两种建模方法。在这里可以注意到，被称为匝间和匝间的两个电容已经组合成一个等效电容。电感器的电容是不同的，它完全取决于铁芯的电压电位和绕组固定或连接铁芯的电压。当磁芯处于浮动状态时，电感器和变压器的磁芯的电压电位将高于中压应用。具有三个端子的网络由变压器和具有接地连接的电感器形成。本文比较了器件 MV SiC MOSFET 的开关行为以及磁芯/框架浮动和磁芯/框架接地电感对其的影响。最后，

表 1：开关速度比较

框架浮动和框架接地中压电感器的比较

图 1 显示了分析的 MV 30mH 电感器。它的额定电流为 10 A，基于纳米晶磁芯。实验室电路图中的双脉冲测试如图 2 所示。定制封装的半桥 10 kV SiC MOSFET 的功率模块可实现双脉冲设置。借助 200 MHz Pearson TM精确测量高频电流2877 个监视器 。已经使用两个案例来测试这种类似的脉冲测试。在情况 1 中，被测试的 MV 电感器上没有接地连接，或者可以说铁芯/框架是浮动的，而在情况 2 中，铁芯/框架已经接地，这意味着已经提供了一个接地连接中压电感的接地点到直流母线的接地点。图 3 显示了在 3 kV 链路电压和 12 A 峰值负载电流下进行的测试的实验结果。图 4 显示了接地电流对整个电源电路的影响，并清楚地提到了负载和接地电流的路径。借助该实验，可以得出结论，在关断期间仅将接地电流添加到 id+（HS MOSFET 电流），与此概念相反，将接地电流添加到 id-（LS MOSFET 电流）在开启期间。高频分量增加了电磁干扰，因此在开关过程中能量耗散增加。

图1：中压电感30mH

图 2：双脉冲测试装置的电路图

图 3：（a） 浮动铁芯/框架 （b） 接地铁芯/框架的实验结果

图 4：（a） 关闭 （b） 开启期间的电流路径

通用三端等效电路

本文的这一部分是关于一般三端等效电路的介绍，该电路已经为绕组到绕组和绕组到地之间存在的电容耦合制定了公式。图 5 （a） 显示了磁芯/框架接地的电感器示意图，而图 5 （b） 显示了解决任意两个端子之间电容耦合的阻抗。这里，端子 1 和 2 表示电源连接，端子 3 表示框架/核心接地的连接。图 6 清楚地显示了使用保护技术测量阻抗的三个步骤。

图 5：电感等效电路

图 6：阻抗测量步骤

模拟和实验验证

为了简化所提到的模拟，确定中压电感的 Y 13很重要。图 7 显示了拟合导纳和测量导纳之间的比较。仿真表明，中压双脉冲测试测得的输出电压与励磁电压相匹配。随着更高的 dv/dt，接地电流以非线性方式增加，因为端子之间的阻抗不是一阶系统 。

结论

本文分析了在核心/框架接地的情况下，基于 MV SiC-MOSFET 的转换器的滤波电感器中的接地电流。这实际上被认为是大功率电感器的常见解决方案。本文展示的行为模型具有模拟电感双脉冲测试的接地电流的能力。在电压 dv/dt 的较高电位下，接地电流以非线性方式增加，这有助于平衡电源模块、栅极驱动器和滤波器的设计。

审核编辑：郭婷