大功率直流固态功率控制器高功率密度集成化关键技术研究

The development of high-voltage DC power supply systems for aerospace and vehicles urgently requires a high-power DC solid state power controller (SSPC) technology with high power density and high reliability. The key to improve power density and reliability of high-power SSPCs with novel SiC power devices and advanced power integration technology lies in the thermal design, thermal management and the multi-objective comprehensive optimal design method. This project will study the key technologies of integration of high-power DC SSPCs.The research topics include: To realize on-line accurate prediction of the power transistor junction temperature, the on-line correction method of the thermal circuit model of power transistors in DC SSPCs based on Relative Vector Machine will be studied. To improve long-term reliability and safety of power transistor, the drive, current-limited control and fault protection methods of DC SSPCs with low power consumption and junction temperature will be studied.To achieve a trade-off among multiple design targets, such as loss, power density, thermal performance and junction temperature rise, the dynamic multi-objective optimization of high-power integrated DC SiC SSPC design method will be studied. And a prototype of high-power integrated DC SSPC based on SiC will be developed to validate key technologies.Achievements of this research will greatly improve the reliability and power density of high power DC SSPC, and promote the development of high-voltage DC power systems, which are of great scientific significance and high engineering value.

航空航天器和车辆高压直流供配电体制的发展迫切需要高功率密度、高可靠的大功率直流固态功率控制器(SSPC)技术。利用新型SiC功率器件和先进功率集成技术提高大功率SSPC功率密度和可靠性的关键在于热设计、热管理和多目标综合优化设计方法。本项目开展大功率SiC直流SSPC集成化关键技术研究，研究内容包括：开展基于相关向量机的直流SSPC功率管散热路径热模型在线修正方法研究，实现功率管结温在线准确监测；开展具有功率管功耗和结温控制能力的直流SSPC驱动、限流控制和故障保护方法研究，提高功率管工作可靠性；开展基于动态多目标优化的大功率集成化直流SiC SSPC设计方法研究，实现SSPC损耗、功率密度和散热及温升等多目标均衡优化设计；并研制大功率SiC直流SSPC集成化样机验证关键技术。研究成果将大大提高大功率直流SSPC可靠性和功率密度促进高压直流供配电体制发展，具有重要的科学意义和工程实用价值。

先进多电航空航天器和车辆高压直流供配电体制的发展，迫切需要高功率密度、高可靠的智能大功率直流固态功率控制器(SSPC)技术。本项目针对大功率集成化直流SSPC的建模方法、退化状态在线监测和预测、驱动控制与保护、集成化结构和散热等开展了研究，相关成果可以推动大功率直流SSPC的发展和应用，满足多电电气系统发展的亟需，增强飞机供配电系统的可靠性和安全性。. 首先，开展了功率管功耗和结温优化控制方法研究。建立了SiC MOSFET的热电耦合模型及功能模型，分析了SSPC在短路故障以及大容量冲击性负载启动过程中的功耗，提出了基于安全工作区的最优功耗轨迹。提出了一种新的短路故障的快速检测方法和限流保护策略，提高了短路保护的可靠性。. 其次，开展了直流SSPC功率管结温与健康状态监测方法研究，提出了宽电压范围和宽温度范围的漏源电压检测电路；提出了基于勒贝格采样的结温迭代估计算法，实现快速、高精度的结温监测。通过老化实验，开展了SIC MOSFET的老化性能研究，建立了老化模型；考虑了老化的影响，提出了一种在线热网络模型修正方法，大幅提高了结温监测精度。提出分段变步长新陈代谢灰色模型的预测方法，在线预测SiC MOSFET退化状态；研究了两种栅极故障特征提取技术，开展了功率管的栅极老化状态评估研究。. 最后，开展了集成化SSPC结构与散热设计，采用了各项异性磁阻效应的高精度大电流检测方法，实现电流最大1000A的高精度检测；提出了一种功率模块布局方案，可以实现良好的均流效果。对几种散热方案进行了电-热、电磁多物理场仿真分析和优化设计，建立了多目标优化设计模型，最后研制并测试了集成化SSPC模块样机，功率密度可达240W/cm3。. 研究成果对推动具有自主知识产权的大功率高电压直流SSPC发展以及构建安全可靠的航空、航天、车辆等多电供电系统具有重要意义，可推广应用到海、陆、空、天等特种直流供配电系统中。