学术报告：200kVA软开关IGBT三相逆变器设计

一、研究作者与发表信息

本文的主要作者为Yuying Wu和Dehong Xu，隶属于浙江大学电气工程学院。文章发表在2023 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)上，标题为“Design of a 200kVA Soft-Switching IGBT Three-Phase Inverter”。本文主要针对高频IGBT(绝缘栅双极型晶体管)逆变器的设计进行深入探讨，并包含实验验证。

二、研究背景与目的

本研究所在的主要科学领域为电力电子与能源转换技术。在高转速电机驱动场景中，逆变器需要以高开关频率运行，而高频开关会引起功率半导体器件的大量能量损耗和热量积累。因此，常规硬开关逆变器的效率较低，且器件的使用寿命受到限制。在这种背景下，软开关（Soft Switching）技术逐渐被提出，用来降低开关损耗。软开关通常可实现零电压开通（ZVS, Zero-Voltage Switching），从而降低开关过程的能量损耗。

本文的研究目的是设计一种200kVA软开关三相逆变器，优化其效率及功率密度，并详细研究共振参数和辅助电流对逆变器损耗的影响。此外，研究中还探讨了新型“i型磁芯”谐振电感器以实现体积缩小和损耗降低。

三、研究方法及流程

（1）设计逆变器主电路

研究首先整合200kVA逆变器的整体设计方案，包括： - 器件电压及电流参数设计：为保证主要开关和辅助开关的ZVS操作，其电压应力被约束在额定直流母线电压1.1倍以内。通过谐振参数优化，文章将辅助开关的关断占空比限制在10%以下，并选用额定值为1200V、900A的功率模块。 - 换流母线的布局优化：为降低换流回路的寄生电感，提出了利用吸收电容补偿和半圆形对称结构的设计方案，通过ANSYS Q3D仿真确认了布局有效降低了寄生电感。 - 谐振电感器的小型化设计：基于传统EE型磁芯以及新型I型磁芯进行了电感器的比较设计和多物理场仿真验证。

（2）软开关PWM控制

为实现软开关，文章设计了一种复合PWM驱动信号生成方法，并基于自适应控制器调节短路脉冲宽度（Tst）以优化谐振电感能量。该控制方法通过两种锯齿波载波（正向和反向）辅助实现，同时结合边缘对齐PWM（EA-PWM）实现三个桥臂的高损耗二极管切换在同一时刻发生，从而提升ZVS性能。

（3）损耗及参数优化分析

文章深入研究了： - 共振参数（共振电感值Lr和并联电容Cp）对器件损耗的影响。 - 不同辅助电流（Boost Current）情况下的损耗分布。通过实验和理论解析，发现降低辅助电流可减少ZVS相关的辅助开关和主开关的额外损耗。

（4）实验验证

研究设计了额定功率200kVA的逆变器原型，并测试了其在不同参数下的工作性能。关键测试平台包括直流整流器、电网变压器以及Yokogawa WT1800功率分析仪。实验包括以下几个方面： - 谐振电感的电流和温升特性。 - 不同辅助电流下主开关和辅助开关的开关波形。 - 硬开关与软开关逆变器的效率对比。

四、研究的主要结果

1. 主电路优化：通过软开关技术结合吸收电容和对称结构，成功降低了换流回路的寄生电感至16.4nH，从而保证了高效的ZVS工作。
2. 谐振电感器小型化成果：采用I型磁芯设计后，谐振电感器体积缩小了80%，而损耗微幅增加，仅增加约2-3W。两种核心材料分别为DMR95（体积0.68L）和MPP-μ60（体积0.51L），呈现较优的功率密度。
3. 动力测试性能：逆变器在额定输出下电流波形质量良好，谐振电感器最高温度控制在62.5℃（DMR95）和101.3℃（MPP-μ60）。
4. 效率提升：在12kHz开关频率下，软开关逆变器整体效率提高至98.22%，比硬开关提高0.31%；在20kHz频率下，效率进一步提升至97.67%，超出硬开关逆变器0.51%。

五、结论及意义

本文设计的200kVA软开关IGBT三相逆变器实现了较高的效率和功率密度。通过寄生电感布局优化和i型磁芯的小型化谐振电感器设计，显著地减少了电路损耗和体积。此外，软开关PWM控制与适应性调节策略为高性能逆变器设计提供了保障。研究结果不仅具有显著的学术价值，特别是在高频率逆变器领域具有指导意义，同时也为工业应用（如高转速电机驱动）提供了可行的效率优化方案。

六、研究亮点

1. 提出了一种半圆形结构结合吸收电容的新型换流回路设计，大幅降低寄生电感。
2. 创新性开发了基于“i型磁芯”的谐振电感器设计，将体积缩小了约80%。
3. 实验验证了辅助电流和共振参数对软开关逆变器效率的优化作用，得出了提升效率的重要数据支持。
4. 提出了特殊的PWM信号生成及自适应控制，优化了谐振电感能量管理。
5. 在高开关频率下（20kHz），软开关技术的优势更为显著，其效率提升相较于硬开关更加明显。

七、进一步讨论

尽管本研究对提高软开关逆变器的性能取得了重要突破，但针对更高功率的应用场景（例如几百千瓦级）仍然存在设计挑战。未来研究可进一步探讨高频逆变器的热管理、磁性元件的优化设计以及软开关大规模工业化应用的成本可行性。

参考文献

本文中引用的部分关键文献有：
- Yuying Wu et al., “Adaptive soft-switching control of active-clamping three-phase inverters,” IEEE J. Emerg. Sel. Topics Power Electron.
- N. He et al., “20-kW zero-voltage-switching SiC MOSFET grid inverter with 300 kHz switching frequency,” IEEE Trans. Power Electron.