高效SiC器件不间断电源整流模块的研究与设计

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

随着半导体技术的发展、数字信号处理技术以及控制技术的发展，电力电子技术正在向着高频化、数字化、模块化、绿色能源化发展[1-3]。电力电子设备的体积、智能程度、效率、谐波、功率因数等指标也在不断得到改善。不间断电源作为电力电子技术的一个重要分支，在电力电子的发展中扮演着重要角色。随着我国大力推广互联网加政策，互联网产业快速发展，对于不间断电源的需求也越来越大。目前，国内的不间断电源提供商主要为国外三大品牌：伊顿、施耐德、艾默生，本土 UPS 厂商只占有少数市场份额。在各种功率等级的不间断电源产品中，小功率不间断电源占有绝大多数市场份额。根据赛迪顾问对 2014 年 7 月中国不间断电源的市场分析报告，功率大于等于 3k VA 小于10k VA 的不间断电源占总销量的 33.6%，销售额占比 19.2%，销量和销售额在所有功率等级中均为第一，功率小于 3k VA 的不间断电源占总销量的 66.7%，销售额占比 15.5%，销量在所有功率等级中排名第一。

从以上数据可以看出，中小功率不间断电源竞争异常激烈，要想突破国外厂商的垄断，必须在中小功率不间断电源上下功夫。基于此种背景，本人所在的实验室受企业委托为企业研制一台 5k VA 以 IGBT 为功率器件的不间断电源。本人负责不间断电源整流模块的研究，并在 IGBT 不间断电源整流模块研究的基础上对Si C MOSFET 不间断电源整流模块进行初步研究。 本文将基于 IGBT 模块研制一台不间断电源整流模块样机，验证本文提出的改进型PI 控制策略的正确性和有效性以及本文提出的交流电感选型方法的正确性。在完成此实验的基础上，对 Si C MOSFET 整流模块进行初步的研究，以便下一步对 Si C MOSFET 整流模块进行全面研究。Si C 半导体相对于传统的 Si 半导体具有耐压高、导通电阻低、热稳定性好、开关频率高、开关损耗低等诸多优点[4-6]。可以预见，随着价格的降低以及技术的成熟，基于 Si C MOSFET 的不间断电源整流模块的市场份额将会逐渐扩大。

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1.2 整流模块的研究现状

整流模块，也可以称之为整流器，其性能受到开关器件、拓扑以及控制策略等多种因素的综合影响。下文将从器件、拓扑、控制策略三个方面阐述整流模块的研究现状。自从 20 世纪 50 年代初期电力二极管应用于电力领域以来，电力电子器件经历了从不可控到可控的变迁，先后出现了晶闸管、MOSFET、IGBT 等典型电力电子器件[7]。电力二极管既不能控制其开通也不能控制其关断，属于不可控器件，只能利用器件外部条件使其开通或者关断。

由于电力二极管结构简单、工作稳定，因此得到了广泛的应用。在全控型器件组成的拓扑中，多伴有电力二极管。可以说，电力二极管在电力电子的发展史中具有不可替代的作用。但是由于电力二极管的不可控特性，在对性能指标要求较高的场所，电力二极管往往不能满足要求，通常作为辅助性器件存在。电力二极管种类繁多，如普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管等等。

1956 年，半控型器件——晶闸管在美国贝尔实验室诞生，标志着电力电子技术的产生。晶闸管属于半控型器件，通过对门极触发可以使晶闸管开通，但是不能通过对门极的控制使其关断。晶闸管的半导体结构特性决定晶闸管在低频率高电压大电流应用场合中有着不可替代的作用[8]，在中小功率应用场合已不常见。根据应用场合的不同，晶闸管的种类也有不同，如快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等等。

20 世纪 80 年代以来，随着电力电子技术与信息电子技术的交叉融合，诞生了一系列全控型电力电子器件，如门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管。与信息电子技术中的场效应晶体管对应，电力电子技术中的场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但应用较多的是电力 MOSFET(Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。

电力 MOSFET 属于电压控制型全控型电力电子器件，可以通过驱动电路控制其开通和关断，且驱动电路简单，驱动功率小。由于其半导体结构特性，电力 MOSFET 可以工作在高达 MHz 的频率下，但是基于 Si 材料的电力 MOSFET 在高压下导通电阻大，具有耐压低、电流容量小的缺点，多应用于高频小功率的场合。为了解决电力 MOSFET 导通电阻大的问题，RCA 公司和 GE 公司于 1892 年开发了一种复合型全控型电力电子器件—绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。

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