摘要：
采用新型C3M0120090D型碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)芯片，以三相H桥逆变器拓扑结构为基础，通过研究分析逆变器工作原理，从而研究了电压电流解耦控制。通过对C3M0120090D型SiC MOSFET芯片研究设计出新型SiC芯片驱动电路，通过搭建600W三相H桥逆变实验平台，验证了SiC MOSFET芯片工作可行性与可靠性，且通过红外温度测量仪观测出带载工作时芯片温度与室温相近，验证了SiCMOSFET芯片工作的高效性。
随着科学技术的发展，越来越多性能优良的新型化合物半导体材料应用于电力电子器件的制造，促使各种新型大功率电力电子装置成功地应用于各种前沿科学技术领域。80年代中期，可关断晶闸管得到广泛应用，同样绝缘栅双极型晶体管(IGBT),随着其阻断电压达到3.3kV,于20世纪90年代初进入实用化。可关断晶闸管技术的研究推动了集成门极换流晶闸管(IGCT)发展，它具有传统可关断晶闸管无法比拟的优势。IGCT和大功率IGBT的开通和关断损耗都相对较低，进而可在1~3kHz开关频率下工作。但硅基器件的工作频率已十分接近于硅材料极限。
针对铁路电气化的需求，电力电子装置应具有更大的功率容量和更高的可靠性。现在电力电子器件发展水平决定了其在耐压耐流方面有所限制，因此需要采用更复杂的电路拓扑方法来满足各种大功率应用场合的需求，系统成本与故障率也随之增加。要改善这种情况，就要求电力电子器件具有更高的耐压与耐流等级[5-7]。相较于硅基功率半导体器件，SiC电力电子器件具有耐高压(达数万伏)、耐高温(大于500℃)等优点，更适用于高频大功率场合，但并未实现产业化。随着高压SiC功率器件发展，已研发出19.5kVSiC二极管，3.1kV和4.5kVSiCGTO,10kVSiC MOSFET和13~15kVSiC IGBT等。这些SiC电力电子器件的出现，将对铁路电气化的发展产生深远影响。
在此采用新型C3M0120090D型SiC MOSFET芯片，以三相H桥逆变器拓扑为基础，通过研究分析逆变器工作原理，研究了电压电流解耦控制。通过对C3M0120090D型SiCMOSFET芯片研究设计出新型SiC芯片驱动电路，搭建实验平台验证了SiC MOSFET工作可行性与可靠性，并通过红外温度测量仪观测出带载工作时芯片温度和室温相近，验证了SiC MOSFET芯片工作的高效性。
系统拓扑结构
图1为三相H桥逆变器主电路拓扑结构。设逆变器输出a,b,c相对于n点输出电压为ua,ub,u.;经过LC滤波器后相对于n点输出电压为um,um,Um;i为滤波电感电流；ic为电容电流；i。为输出电流；电感L₁=L₂=L₃=L;电容C=C₂=C₃=C;电阻R₁=R₂=R₃=R。根据基尔霍夫电压定律可得：
ua,ub,u.可由开关函数表示，令直流侧电压为U,当x桥臂导通时，S₄=1,当x桥臂关断时，S=0。由三相H桥逆变器工作状态可得：
由此可得系统的状态空间平均方程为：
逆变器处于独立运行模式时，LC型滤波器可对高频分量进行有效衰减。基于LC型滤波器的逆变器在独立运行模式下，负载侧电压u。与逆变输出电压uim的函数关系式为：
绘出其波特图如图2所示。
可见，当谐振频率大于1kHz时，系统容易产生振荡，因此综合考虑滤波效果，选取L=10mH,则电容为：
三相H桥逆变器控制策略
采用基于电压外环和电流内环的双闭环控制 策略，如图3所示。通过控制电压电流有功无功分 量，实现对输出电压电流的快速跟踪及单位功率 因数控制。将负载电压Um,Lm,um通过d-q分解为La,ug,将电流i,inb,i。 通过d-q分解为ia,ig,得 ：
由电压外环控制可得：
实验验证：驱动电路设计
图4为SiCMOSFET驱动电路图，在此采用C3M0120090D型SiCMOSFET芯片，其正向导通时，栅极电压为15V,关断时，栅极电压为-7V。
采用FPGA作为控制器，输出电压为3.3V。光耦芯片选用ACPL-4800芯片，a₁点与a点工作电压为1.4V,光耦输入电流为5mA,由此可得：
实验验证
在此设计C3M0120090D型SiCMOSFET芯片驱动电路。控制器选用FPGA,滤波电容、电感选用10 μF和10mH。SiC材料三相逆变器系统相比于传统Si材料器件三相逆变器系统，体积和重量都减少了1/3左右，可得出SiC材料三相逆变器系统在功率密度方面有显著提升。实验参数：直流侧电压200V;输出侧电压给定100V;直流侧电容1000μF;输出侧滤波电感10mH;输出侧滤波电容10μF;负载50Ω;测试室温20℃。
传统Si器件在室温20℃条件下，三相逆变器系统工作温度为66.6℃,新型SiC器件三相逆变器系统工作温度21℃。可见新型SiC器件能耗相比于传统Si器件能耗低。图5a为基于SiCMOSFET芯片三相H桥逆变实验交流侧输出电压，输出为峰值200V方波，u,ub,u。为相位相差120°输出波形。图5b为经过LC滤波后输出电压电流波形，输出电压值为100V。负载50Ω,输出电流2A,因此系统功率P=3×100V×2A=600W。
SiCMOSFET芯片温度为21.1℃,此时室温为20℃,空载芯片温升为1.1℃。由基于SiC MOSFET芯片的三相H桥逆变器带载红外温度成像图可知，此时SiC MOSFET芯片温度为26.6℃,此时室温为20℃,带载芯片温升为6.6℃。通过效率测试，可得传统Si器件三相逆变器600W条件下效率为92%,而新型SiC器件为96%。可得新型SiC器件三相逆变器系统和Si器件三相逆变器系统在体积、质量、功耗及造价四方面的对比如图6。
基于SiCMOSFET芯片的三相H桥逆变系统与传统基于Si芯片的三相H桥逆变系统具有节省体积重量、功耗小等优点，但在造价上相比于传统Si器件暂时没有优势。
结论
采用新型C3M0120090D型SiC MOSFET芯片，以三相H桥逆变器拓扑结构为基础，通过研究分析三相H桥逆变器工作原理得出结论如下：通过研究三相H桥逆变器拓扑结构工作原理，得出电压电流解耦控制策略，实现对三相H桥逆变器的可控性；对新型C3M0120090D型SiCMOSFET芯片性能研究，设计出相应的芯片驱动电路；通过设计基于新型SiC MOSFET芯片的三相H桥逆变器实验系统，进行了600W功率输出实验，验证了电压电流解耦控制的正确性及驱动电路设计的稳定性和可靠性；相比于传统Si器件MOSFET实验系统，新型SiC MOSFET空载芯片温升为1.1℃,带载芯片温升为6.6℃,可将体积质量减小至30%以下，并且效率从92%提升至96%,能耗减小至50%以下。
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