High power density, high reliability and high efficiency etc. are always the pursuit of power electronics design. Wide bandgap (WBG) component, e.g. SiC/GaN makes them more feasible. Due to their high switching frequency (du/dt & di/dt) , high power density and more compact space , the influence of parasitic parameters and electromagnetic interference(EMI) is more serious, the design of thermal and structure etc. become more difficult. This project focus on: Multi-level "electric domain model" consists of WBG components, circuit and electromagnetic field characteristics, accurate "thermal domain model" considering the shape/surface of heatsink and hydrodynamic characteristics of the forced air/water, and the "structural domain model" associated the size/volume and the coupling with electrical/thermal domains; To reveal the mechanism and interaction among the domains and with the design goals and procedure, which is the fundamental of the design method to establish; Propose the cooperative multidomain-model based design method with high efficiency("1-Round" design), high success rate and high pefermance; Simulation and experimental verification and the practice design and test of a high-performance converter prototype will be carried out. This method can reduce the design difficulty, time and risk while multi objectives are optimized perfectly, which is an effective way for high performance power electronic equipment with WBG components, thereafter promotes the development of its deign theory and methodology and application.
高功率密度、高可靠、高效率一直是电力电子装置/系统追求的目标,宽禁带(WBG)器件(如SiC/GaN)为此提供了更加现实的可能。然而,WBG器件开关频率高、du/dt 和 di/dt高、功率密度大、空间耦合强,电磁干扰(EMI)和分布参数影响加剧、散热和结构等设计也更加困难。本项目拟:研究含WBG等器件、线路及电磁特性的多层次"电域模型",含散热器形状和流体动力特征的"热域模型",体积优化、尺寸/布局与电和热域耦合的"结构域模型";研究各域模型对设计目标和过程的作用机理及耦合关系;以上为依据,提出多域协同、高效(“一轮/1-Round”)、高成功率、高性能的设计方法;开展仿真和实验、高性能系统样机设计和测试的应用研究,验证所提方法的设计效率和效果。该方法可降低设计难度、周期和风险,实现多目标优化,是面向WBG器件等高性能电力电子装置设计的有效方法,进而促进该领域设计理论、方法及应用的发展。
针对宽禁带(WBG)器件SiC/GaN开关频率高(高du/dt和di/dt)以及高可靠性、功率密度、高效率等设计过程的挑战,项目研究了WBG器件物理/半物理/行为模型,建立了SiC和GaN热-电耦合关系模型、开展仿真和双脉冲(DPT)实验验证;基于层次SPICE模型,研究了WBG/GaN器件高频开关过程串扰及可靠性机理,建立了归一化的电压/电流应力、变化率参数、安全工作区(SOA)、损耗、分布参数影响等要素间的耦合模型;研究了结构、邻近效应对高频平面磁集成电磁场3D模型及其对效率/损耗、发热及功密的定量模型,并开展了FEA分析、仿真和实验验证;研究了综合热路材料、流体和散热器形状和尺寸的精确热模型及其简化热模型,进行了仿真和实验验证;还研究了基于电、场(电场和磁场)、热和结构各域模型之间及系统目标之间的耦合关系;提出了基于多域模型多时空尺度的电力电子系统的协同设计方法;并在1个GaN个和2个SiC器件应用项目中验证了研究方法的有效性。所提方法,可降低设计周期、难度和风险,实现多目标综合优化,可实现面向WBG器件应用的高性能电力电子装置或系统的快速/无反复、有效/成功率高的“一轮(1-Round)”设计法,进而促进学科理论和应用的发展。.结合该项目的研究,培养硕士8名、博士6名,在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文30余篇,被SCI收录15篇、EI收录/一级期刊论文20余篇,派员参加国内外学术会议交流10余人次,申请与授权发明专利3项。.项目研究达到预期目标。
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数据更新时间:2023-05-31
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