SiC MOSFET开关特性及多等级栅电压驱动电路

针对新型宽禁带功率半导体器件碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),为了充分发挥其在高功率密度和高效率应用场合中的高速及低功耗特性,分析了SiC MOSFET的开关特性,提出了一种基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的新型多等级栅电压驱动电路(MGD)。在SiC MOSFET开关不同阶段,通过调整栅极驱动电压以改善其开关特性。与传统驱动电路(CGD)相比,提出的MGD在相同门极驱动电阻与栅源极电容前提下,能有效提高开关速度,降低电压电流尖峰、降低开关损耗。最后通过双脉冲实验,分析了栅极驱动电阻,栅源极电容对开关特性的影响,验证了MGD在改善开关特性方面具有明显的优越性。     

一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动设计

由于传统驱动下碳化硅(SiC)MOSFET受高开关速度特性及寄生参数影响,桥臂串扰现象更加严重,而现有抑制串扰驱动电路又往往会增加开关损耗、开关延时和控制复杂程度,因此本文结合驱动阻抗控制与负压关断的串扰抑制方法,提出一种改进门极驱动电路。首先,阐述串扰现象产生原理及其典型抑制方法。其次,在负压关断前提下,基于控制辅助三极管开断,降低串扰产生过程中驱动回路阻抗的思想,提出一种在栅源极增加三极管串联电容新型辅助支路的改进驱动方法,并分析其工作原理,研究改进驱动电路关键参数设计原则。最后,搭建双脉冲测试实验平台,在不同驱动电阻、输入电压、负载电流条件下对改进驱动电路设计的有效性进行验证。结果表明,传统驱动下SiC MOSFET桥臂串扰现象明显。相比典型抑制串扰驱动电路,提出的驱动方法在有效抑制串扰同时,减小了开关损耗与开关延时。     

基于碳化硅器件及其驱动的谐振变换器设计

硅(Si)基电力电子器件受限于Si材料特性难以在耐压、耐温、开关频率等方面有所突破,而碳化硅(SiC)基器件因其性能优异,尤其在中高压电能变换设备的应用中前景广阔。理论与实验对比分析了SiC MOSFET与Si MOSFET,Si IGBT的特性,对驱动电路进行了分析与改进以适应不同器件驱动电压的需要,最后应用SiC MOSFET及其驱动电路搭建了100 kHz CLLC谐振变换器实验样机。说明了SiC基器件相较于Si基器件在导通、关断以及开关性能上的优势,验证了改进后驱动电路以及基于此来研制高性能电源变换器的可行性。     

驱动电阻对SiC MOSFET开关行为的调控规律

针对碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)驱动电阻的选择问题,建立开关瞬态电路模型。通过数学推导定性分析,确立了受驱动电阻影响的SiC MOSFET开关行为主要特征。在此基础上,搭建双脉冲测试实验平台,将驱动电阻与振荡、超调、损耗和温升之间的关系进行定量分析。通过将器件非理想特性对驱动电阻的敏感度进行归一化处理,归纳出驱动电阻对SiC MOSFET特性的调控规律,从而指导SiC MOSFET栅极驱动回路的优化设计。     

SiC MOSFET驱动电路及实验分析

根据SiC MOSFET开关特性,设计了一种SiC MOSFET的驱动电路,在此基础上采用双脉冲测试方法,对SiC MOSFET的开关时间、开关损耗等进行了实验测量,分析了不同驱动电阻对SiC MOSFET开关时间、开关损耗等的影响。     

SiC MOSFET串联短路动态特性

在电力电子系统中,因器件击穿、硬件电路缺陷或系统控制失误导致碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)误开通时,桥臂电流回路中多个器件处于开通状态,形成串联短路故障.该文以SiC MOSFET半桥电路为研究对象,详细介绍SiC MOSFET串联短路的动态过程,理论分析负载电流、栅极驱动电压和结温温升对SiC MOSFET短路动态特性的影响规律,推导出SiC MOSFET分压模型,并采用仿真模型进行验证.实验基于1200V/80A SiC MOSFET测试平台验证电路参数对短路损耗和结温分布的影响.理论与实验结果表明,SiC MOSFET串联短路分压特性对电路参数具有较高敏感度,漏极电压与漏极电流不平衡动态变化会改变器件短路损耗,进而影响结温温升,造成串联短路SiC MOSFET不稳定变化.     

SiC MOSFET开关特性及驱动电路的设计

与硅(Si)功率器件相比,碳化硅(SiC)功率器件的掺杂浓度更高,禁带更宽,在高电压下导通阻抗更小,因此应用于大功率场合可以提高开关频率,减小变换器体积重量。根据SiC MOSFET的开关特性,设计了一种SiC MOSFET的驱动电路,采用双脉冲电路对其开关时间、开关损耗等进行了实验测量,分析了不同阻值驱动电阻对SiC MOSFET模块开关时间和开关损耗的影响。     

并联碳化硅MOSFET短路振荡机理

碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)为高性能电力电子技术提供了技术保障,其短路承受能力是进一步提升电力电子变换器可靠性的关键;特别是在大功率场合,经常将SiC MOSFET并联使用,然而影响并联SiC器件短路振荡的关键因素并不十分明确,振荡机理有待进一步研究。此处以并联SiC MOSFET为研究对象,建立在短路工况下的等效数学模型,分析影响并联短路特性的关键因素并进行实验验证,归纳短路振荡机理。理论分析与实验结果表明,当并联SiC MOSFET发生短路故障时,栅极驱动电阻和功率回路杂散电感是导致器件并联系统振荡的主要因素,过小的栅极驱动电阻使得并联系统振荡频率和尖峰增大;过大的功率回路杂散电感导致系统振荡频率降低,而振荡尖峰增大,系统的剧烈振荡不利于SiC MOSFET稳定性提高。     

SiC MOSFET与SiC SBD换流单元瞬态模型

相较于硅(Si)器件,碳化硅(SiC)器件所具有的高开关速度与低通态电阻特性增加了其瞬态波形的非理想特性与对杂散参数影响的敏感性,对其瞬态建模的精度提出更高的要求。通过功率开关器件瞬态过程的时间分段、机理解耦与参数解耦,突出器件开关特性,弱化物理机理,简化瞬态过程分析,建立基于SiC MOSFET与SiC SBD的换流单元瞬态模型。理论计算结果与实验结果对比表明,该模型能够较为精细地体现SiC MOSFET开关瞬态波形且能够较为准确地计算SiC MOSFET开关损耗。该模型参数可全部由数据手册提取,有较强的实用性。     

一种改进SiC MOSFET开关性能的有源驱动电路

与硅金属氧化物半导体场效应管(silicon metal oxide semiconductor field effect transistor,SiMOSFET)相比,碳化硅(silicon carbide,SiC) MOSFET具有更高的击穿电压,更低的导通电阻,更快的开关速度和更高的工作温度,正被广泛应用于光伏逆变器、电动汽车和风力发电等领域,但是SiC MOSFET的高开关速度会导致器件开关过程中发生电流、电压过冲和振荡,不仅会增加器件的开关损耗,甚至会导致器件损坏。文中首先对SiC MOSFET的开关过程进行详细分析,得出器件开关过程中电流、电压过冲和振荡的产生机理,然后根据影响电流、电压过冲和振荡的关键因数,设计一款有源驱动电路。该电路能够在器件开关的特定阶段内同时增加驱动电阻阻值和减小栅极电流,从而抑制器件开关过程中的电流、电压过冲和振荡。实验结果表明,与传统驱动电路相比,所设计的有源驱动电路能够在不同驱动电阻、负载电流和SiC MOSFET条件下,均有效抑制器件的电流、电压过冲和振荡。     

1200V碳化硅MOSFET与硅IGBT器件特性对比性研究

搭建了输出特性测试电路、漏电流测试电路、双脉冲测试电路和Buck电路,对1 200 V SiC MOSFET和Si IGBT的输出特性、漏电流、开关特性和器件损耗进行了对比研究,分析了SiC MOSFET的主要优缺点。分析结果表明,SiC MOSFET在高温条件下依然拥有稳定的阻断能力;在同样的工作条件下,SiC MOSFET损耗更小,适合在高频率、大功率场合下使用;SiC MOSFET的跨导低,导通电阻大,所以门极驱动电压需要比较大的摆幅(-5/+20 V);由于开关速度很快,SiC MOSFET对线路杂散参数更加敏感。     

基于栅极驱动回路的SiC MOSFET开关行为调控

碳化硅(silicon carbide,SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)与硅绝缘栅双极型晶体管相比,具有更低的开关损耗,更快的开关速度。但是,其高速开关过程对寄生参数非常敏感,容易激发高频振荡和过冲,给器件和电力电子装置的高效、安全运行带来不利影响。针对栅极驱动回路对器件开关行为的作用机理,基于电感钳位双脉冲测试电路,分析了SiC MOSFET开关过程的电路模型,并利用其数学模型分析了SiC MOSFET开关行为的典型特征,分析了不同栅极电阻、栅源电容、栅极驱动电压对开关行为的调控规律。分析发现,这些调控方法在抑制振荡和过冲的同时,会降低器件的响应速度,增加开关损耗。实验结果验证了模型与分析的正确性和有效性,可为SiC MOSFET的应用研究提供有益的支撑。     

共源极电感对SiC MOSFET开关损耗影响的研究

共源极电感同时存在于功率MOSFET的功率回路和门极驱动回路中,影响器件的开关特性和开关损耗。共源极电感的影响将随着器件开关速度和开关频率的提高而显得更为严重。碳化硅(SiC)MOSFET相对于硅器件的材料优势使其可以实现更快速的开关过程,共源极电感的影响更加需要考虑。首先分析了现有功率开关损耗测量方法的优劣,然后选用一种通过测量结温升和热阻的方法来测量SiC MOSFET的开关损耗,最后搭建了一台输出功率1kW、输出电压800V的全碳化硅Boost样机,从100kHz到500kHz进行实验验证。实验结果表明,当不含共源极电感时SiC MOSFET的开通损耗、关断损耗均有所减小。     

SiC MOSFET驱动电路设计与实验分析北大核心

为使SiC MOSFET在应用中安全可靠的工作,通过对SiC MOSFET开关特性的分析,设计了一种SiC MOSFET驱动电路。该电路具有结构简单、实用性强、速度快、输出功率大等特点。另外,在高功率、高频等特殊环境下工作,为了提高SiC MOSFET的可靠性,还对器件过载保护电路进行研究。通过Pspice软件仿真实验,发现过载保护电路可以有效地保护器件不受损坏。最后,搭建双脉冲实验平台,验证驱动电路的基本功能并测试采用不同栅极电阻时对SiC MOSFET开关特性的影响。实验结果表明:该电路具有良好的驱动能力。     

SiC MOSFET驱动电路设计与实验分析

为使SiC MOSFET在应用中安全可靠的工作,通过对SiC MOSFET开关特性的分析,设计了一种SiC MOSFET驱动电路。该电路具有结构简单、实用性强、速度快、输出功率大等特点。另外,在高功率、高频等特殊环境下工作,为了提高SiC MOSFET的可靠性,还对器件过载保护电路进行研究。通过Pspice软件仿真实验,发现过载保护电路可以有效地保护器件不受损坏。最后,搭建双脉冲实验平台,验证驱动电路的基本功能并测试采用不同栅极电阻时对SiC MOSFET开关特性的影响。实验结果表明:该电路具有良好的驱动能力。     

SiC MOSFET特性分析及驱动电路研究

对比碳化硅(SiC)与硅(Si)的材料特性差异,分析基于不同材料金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的电气特性,仿真得到其开关轨迹。提出一种有关驱动电阻对于开关过程影响的分析模型。论述研究了将SiC MOSFET应用于单管功率变换器、桥式功率变换器及双管正激变换器等典型电路时适用的驱动电路,针对桥式电路中存在的串扰问题进行了分析,使用LTSpice软件对4种优化后的驱动电路进行仿真并比较其优缺点,提出几点关于驱动电路的布局技巧。     

SiC MOSFET开关损耗测试方法研究

准确测量金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor,MOSFET)开关损耗,是正确评估碳化硅(silicon carbide,SiC) MOSFET开关特性、优化驱动电路、降低损耗的前提。由于SiC MOSFET具有较高的开关速度,传统的双脉冲测试方法存在测量延时、高频振荡等问题,导致损耗评估这一在Si IGBT时期并不严重的问题在SiC时代更加凸显。该文首先对理想开关过程进行分析,提出一种由开关时序特征来校准测量延时的方法,并考虑到实际开关过程中寄生参数的影响,对延时校准方法进行改进;其次分析开关暂态过程中的高频振荡,提出一种计算高频振荡产生附加开关损耗的方法,在保证器件安全的前提下,通过综合开关损耗最优原则对驱动电路参数进行筛选;最后以一款自主封装的全SiC MOSFET功率模块为例,对测试方法进行评估验证,设计结果应用于一款车用驱动控制器,和相同功率等级的Si IGBT控制器进行测试对比,证明文中方法的正确性和实用性。     

大功率SiC MOSFET驱动电路设计

在实际工程应用的基础上,针对50k W/1MHz的高频感应加热大功率SiC MOSFET电路要求及SiC MOSFET开关特性进行开发研究。通过对SiC MOSFET的开通过程特性进行详细研究,得出使其可靠、安全驱动的要求,在现有已经成熟应用的Si MOSFET驱动电路基础上对其进行改进,研究适合工作在兆赫范围内的SiC MOSFET驱动电路。并采用双脉冲实验验证所设计驱动电路的基本特性及确定最佳门极电阻参数。     

SiC MOSFET在航空静止变流器中的应用研究

航空静止变流器实现机载直流电到交流电的转换,对功率密度、效率、环境适应性、可靠性和电气性能等有较高的要求。碳化硅(SiC)半导体器件的开关速度快、高温特性好,在航空静止变流器中有很好的应用前景,但目前关于宽禁带器件在航空静止变流器中应用的研究比较少。首先结合现有的典型航空静止变流器电路拓扑分析了SiC MOSFET应用的关键问题;然后针对航空静止变流器逆变级的两级级联半桥逆变器,对比分析了应用SiC MOSFET与Si MOSFET的损耗大小,分析结果表明在现采用的开关频率下,即使现有SiC MOSFET导通损耗较大,但总损耗仍较小;且开关频率越高,SiC MOSFET的效率优势越明显,最后为适应高开关频率SiC MOSFET逆变器的需要设计了一种适应高开关频率和宽占空比变化信号的SiC MOSFET驱动电路,搭建了1台500 VA、115 V/400 Hz两级级联半桥逆变器实验样机,并验证了应用SiC MOSFET的航空静止变流器逆变级的可行性。     

基于PSpice的SiC MOSFET的关键参数建模

分析研究了SiC金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)各参数与其动、静态特性的内在关系,提出了一种基于PSpice的SiC MOSFET建模新方法。通过引入电压控制电压源对栅极阈值电压进行补偿修正,采用两种不同的结电容模型描述各端电压不同而带来的结电容的变化,并同时增加了MOSFET的漏源电阻、栅极电阻随温度变化的变温度子模型。新模型可全面准确反映SiC MOSFET的动、静态特性,为SiC MOSFET的开关过程分析、损耗计算及主电路设计提供了重要依据。