碳化硅电力电子系统动态安全运行域建模及应用研究

Nowadays, making full use of SiC-based power converter potential and improving their continuous safe operation capability are becoming the main challenge to be solved urgently. This project aims to propose a practical effective solution through accurate analysis and design of Dynamic Safe Operation Area (DSOA) of SiC power converters. In this project, the main planned research contents are : ① The relationship between the transient behavior of the SiC devices and the other elements of the converter system will be quantified. The electromagnetic transient mechanism of SiC devices in converter systems will be summarized. ② Practical DSOA characterization methods will be explored for the investigated SiC devices. Multi-time-scale modeling method will be considered for the dynamic device junction temperature. An accurate modeling method for SiC device multidimensional DSOA will be proposed. ③ SiC converter system SOA characterization methods will be explored. The interactive relationship between the system SOA and the other elements of the converter system will be quantified. The mathematical model of system DSOA will be derived. ④ The DSOA-based mechanism will be tested for device selection, converter parameter optimization, protection, control and operational safety assessment. Finally, the method to improve safe operation capability, full utilization of their potential and optimal design will be formed for SiC converters.

碳化硅（SiC）电力电子系统潜力充分利用与持续安全运行之间的矛盾，是提升SiC电力电子技术应用水平亟需解决的关键问题。本项目以解决该问题为研究目标，从SiC系统动态安全运行域（DSOA）精确分析和设计的角度，探究该问题的解决方案，重点研究如下内容：①量化分析SiC器件电磁瞬态行为与系统其他元素的关系，揭示SiC器件在系统中的电磁瞬态过程机理；②提出器件DSOA表征方法，研究动态结温的多时间尺度建模方法，建立SiC器件多维DSOA数学模型；③研究系统安全运行域（SOA）表征方法，量化分析系统SOA与系统其他元素的互动关系，推导出系统DSOA数学模型，提出系统SOA优化设计机制；④研究基于系统DSOA的变换器系统器件选型、参数优化设计、保护、调控、运行安全定量评估等方法，提出系统DSOA应用准则。最终形成基于系统SOA的SiC系统安全运行能力提升、潜力充分利用和精细式科学化设计方法。

碳化硅（SiC）功率器件效能高，应用潜力巨大，可以预见，SiC器件将对整个能源行业产生持续的重大影响，在新能源汽车、可再生能源发电、微电网、通信电源、轨道交通、航空航天、军事等领域具有广泛的应用前景。然而，尽管SiC器件已在这些应用领域初步崭露头角，但是，SiC变换器系统的高效、可靠应用还面临诸多问题。.本项目以实现SiC电力电子系统的安全高效运行、潜力充分利用和优化设计为研究目标，对SiC器件及系统DSOA精确建模与应用的理论基础和关键技术进行了深入研究，重点解决了SiC器件电磁瞬态过程行为与系统其他元素的定量关系、SiC器件和变换器系统DSOA的精确建模、系统DSOA的科学应用三大难题。.获得的独特研究成果包括：.⑴揭示了SiC MOSFET 开关瞬态行为形成机理，掌握了SiC MOSFET 开关瞬态过程的建模方法，得到了SiC MOSFET 开关瞬态过程的状态空间模型、解析模型，可以用于准确评估开关瞬态电压/电流过冲尖峰值、开关损耗、电磁干扰等。.⑵研究了器件结温在多个时间尺度上的表现特征，基于热路欧姆定律与拉氏变换推导出了SiC MOSFET器件结温在半个基波周期的时域解析计算式，并进一步推导出了平均结温、最大结温、结温波动的解析计算式。.⑶推导出了考虑结温与壳温变化的系统动态安全运行域解析模型，为系统器件选型、参数优化设计、可靠性保护、调控、安全运行定量评估提供理论指导和参考。.⑷基于最大结温、平均结温解析模型及电应力系统安全运行域模型，设计了基于最大结温限制和电应力系统安全运行域限制的系统输出功率动态限幅方法、基于最大结温限制和平均结温限制的载波频率主动控制方法。.⑸提出了一套系统运行可靠性评估指标及具体计算方法，包括潜力利用率、设计余量、系统强度等三类指标，可用于平衡潜力充分利用与持续安全运行之间的矛盾。.通过本项目研究，理解和掌握了SiC器件、系统的开关瞬态行为机理、影响因素和准确评估方法，为SiC系统安全可靠运行、输出能力增强和精细式科学化设计奠定了理论基础和技术支撑，可提升对SiC器件和系统的应用水平，将对能源的高效利用、节能减排事业的发展产生重大作用。