电力电子技术中宽禁带器件并联均流控制策略与高频化应用下损耗抑制研究

一、引言

随着电力电子技术的不断发展，宽禁带器件如 SiC 和 GaN 在电力系统中的应用日益广泛。2020 年发布的《电力电子技术发展指南》强调了提高电力电子器件性能及可靠性的重要性。宽禁带器件的材料参数，包括静态和动态参数，对并联均流有显著影响，同时趋肤效应和涡流损耗等非理想因素在高频下也影响其并联特性。此外，为实现更好的均流控制和损耗抑制，需构建多层控制体系、建立动态阻抗模型等，本研究围绕这些方面展开探讨。

二、宽禁带器件并联特性与损耗机理分析

（一）宽禁带材料特性对并联均流的影响

SiC 和 GaN 作为宽禁带材料，其材料参数对并联均流有显著影响。从静态参数看，不同材料的阈值电压、导通电阻等差异，会导致在并联时电流分配不均。例如，阈值电压较低的器件可能会先导通更多电流[1]。从动态参数角度，开关速度、输入电容等的不同，会在电路开关过程中引起电流的不均衡分布。这些静态和动态参数的失配，是影响宽禁带器件并联均流的关键因素，需要深入研究其内在机理以实现更好的均流控制。

（二）高频工况下损耗形成机制

随着开关频率提升，趋肤效应和涡流损耗等非理想因素对宽禁带器件并联特性影响显著。趋肤效应使电流趋于导体表面流动，增加有效电阻，进而导致损耗增加[2]。涡流损耗则是由于交变磁场在导体内感应出涡流，产生焦耳热。这些损耗机制在高频工况下相互作用，改变了器件内部的电流分布和温度分布，影响并联均流效果，同时也对器件的长期可靠性产生不利影响。深入理解这些损耗形成机制，对于制定有效的损耗抑制策略至关重要。

三、并联系统主动均流控制策略

（一）多维度均流控制架构设计

构建包含驱动参数调节、拓扑补偿和闭环反馈的多层控制体系。通过调节驱动参数，如驱动电压、驱动电阻等，优化各并联器件的开关特性，减小因器件个体差异导致的电流不均衡[3]。拓扑补偿方面，设计合理的电路拓扑结构，对电流分布进行补偿，提高均流效果。闭环反馈则实时监测电流情况，将反馈信号用于调整控制策略，确保系统在不同工况下都能实现良好的均流，提高并联系统的可靠性和稳定性。

（二）基于动态阻抗匹配的主动均衡

建立器件动态阻抗模型是实现主动均衡的基础。通过分析器件在不同工况下的电气特性，考虑温度、频率等因素对阻抗的影响，建立准确的动态阻抗模型[4]。在此基础上，设计实时阻抗匹配算法。该算法根据实时监测的电流情况，动态调整各并联器件的阻抗，使得电流能够在各器件间均匀分配。通过不断优化算法参数，提高均流效果，降低因电流不均衡导致的器件损耗和系统故障风险，提升并联系统的可靠性和稳定性。

（三）高频驱动信号同步技术

在高频驱动信号同步技术方面，重点研究纳秒级延迟补偿方法和时钟同步机制对均流效果的影响。纳秒级延迟补偿方法旨在减少因信号传输延迟导致的电流不均衡。通过精确测量和分析延迟时间，采用合适的算法进行补偿，提高电流分配的均匀性。时钟同步机制则确保各个并联器件接收到的驱动信号在时间上保持一致，避免因时钟偏差引起的不同步问题，从而进一步优化均流效果，提升并联系统的整体性能和可靠性。

（四）容错控制与可靠性增强

构建故障诊断模型，通过实时监测并联系统各支路的电气参数，如电流、电压等，及时发现故障支路。基于故障诊断结果，设计冗余控制策略，当某一支路出现故障时，能够迅速将其隔离，并调整其他正常支路的工作状态，实现负载电流的重新分配，确保并联系统的正常运行。同时，考虑不同故障类型及严重程度，优化冗余控制策略的切换逻辑，提升并联系统在故障情况下的鲁棒性，增强其可靠性。

四、高频化应用场景损耗抑制方法

（一）多物理场耦合建模方法

建立电磁-热-力多场耦合模型，需综合考虑多种物理场的相互作用。从电磁角度，分析器件工作时的电磁场分布，确定电流路径及磁场对电流的影响。在热场方面，考虑器件发热及散热过程，依据热传导、对流和辐射原理，构建热传递模型。对于力场，关注器件在工作时因温度变化、电磁力等产生的应力应变。通过耦合这些物理场，建立准确的模型，从而深入分析损耗分布特性，为损耗抑制提供理论依据。

（二）复合软开关技术优化

复合软开关技术通过控制开关器件的导通和关断过程，使其在零电压或零电流条件下进行切换，从而有效降低开关损耗。对于谐振网络参数，需深入研究其对高频开关损耗的抑制机理。通过合理设计谐振电感、电容的值，可以调整谐振频率，使其与开关频率相匹配，实现软开关条件。同时，优化谐振网络的拓扑结构，能够进一步提高软开关的效果，减少开关过程中的电压和电流应力，从而降低损耗，提高电力电子系统的效率和可靠性。

（三）三维集成散热结构设计

基于微通道冷却与电磁屏蔽一体化设计热管理方案。采用微通道冷却技术，利用微小通道内冷却液的高效散热能力，快速带走热量。同时结合电磁屏蔽设计，防止电磁干扰对散热结构及周边元件的影响。通过合理设计微通道的尺寸、形状和布局，优化冷却液的流动路径和速度，提高散热效率。在材料选择上，兼顾导热性和电磁屏蔽性能，确保整体结构既能有效散热又能实现良好的电磁屏蔽，从而满足高频化应用场景下的散热和电磁兼容性需求。

五、实验验证与性能评估

（一）并联均流控制平台构建

搭建基于 SiCMOSFET 的并联实验平台及测试系统。采用特定的 SiCMOSFET 器件，设计合理的电路结构，确保其能满足并联均流控制实验需求。同时构建配套的测试系统，选择高精度的测试仪器，如示波器、功率分析仪等，用于准确测量电路中的电流、电压、功率等关键参数，为后续的均流控制效果验证及性能评估提供可靠的数据支持。

（二）高频损耗特性测试分析

通过双脉冲测试对采用损耗抑制策略前后的宽禁带器件进行测试，获取其在高频开关过程中的电流、电压波形数据。利用热成像技术，直观监测器件工作时的温度分布情况。对比分析数据可知，采用损耗抑制策略后，器件在高频开关过程中的电流、电压尖峰得到有效抑制，开关损耗明显降低。热成像结果显示，器件工作温度也显著下降，证明所研究的损耗抑制策略在高频化应用下能有效改善宽禁带器件的损耗特性。

（三）综合性能对比研究

将基于宽禁带器件的方案与传统硅基器件方案进行对比。在效率方面，通过精确测量不同工况下的电能转换效率，发现宽禁带器件方案在高频率、高功率应用场景中优势明显，效率提升显著。对于功率密度，对比两者在相同体积下可实现的功率输出，宽禁带器件方案能在更小的体积内实现更高的功率，功率密度大幅提高。同时，在可靠性、开关速度等关键指标上，宽禁带器件方案也展现出优越性能。

六、结论

本研究聚焦电力电子技术中的宽禁带器件。通过对并联均流控制策略的深入探讨，提出了有效的方法以确保器件在并联工作时的均流效果，提高了系统的稳定性和可靠性。同时，针对高频化应用下的损耗问题进行了详细分析，得出了抑制损耗的关键技术和措施。这些研究成果不仅有助于提升宽禁带器件在电力电子系统中的性能表现，还为其进一步的广泛应用提供了理论支持和实践指导，对推动电力电子技术的发展具有重要意义。

参考文献

[1]何杰,刘钰山,毕大强,李晓.电压探头对宽禁带器件高频暂态电压精确测量的影响 [J].电工技术学报,2021.

[2]邓远钊.基于 TV 硬件的 LED 并联均流控制方法[J].电脑与电信,2022.

[3]黄轶愚,谭会生,吴义伯,戴小平.SiCMOSFET 功率模块的并联均流研究[J].半导体技术,2022.

[4]马幼捷,王硕,周雪松,王宇隆.基于混沌同步的 Buck 变换器并联均流控制[J].电子测量技术,2022.