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。     

考虑寄生参数影响的碳化硅MOSFET开关暂态分析模型

为了评估回路及封装寄生参数对碳化硅MOSFET开关特性的影响,首先建立包括所有寄生参数的开关暂态等效电路模型,详细分析器件开通和关断整个开关暂态过程。然后,在考虑实际器件的负压偏置及器件寄生电容的非线性变化的基础上,推导碳化硅MOSFET所承受电气应力(电压过冲、电流过冲)的简化解析式。其次,基于开通和关断过程的小信号等效电路讨论振荡频率与寄生参数之间的关系。最后,通过对比实验和计算结果,验证了该分析模型的合理性,且能够反映出寄生参数碳化硅MOSFET开关特性的影响规律。     

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MOSFET的99.2%高效率功率因数校正器

半桥功率因数校正PFC(power factor correction)拓扑由于其具有较少的电流回路器件数,因而导通损耗小、效率高。但是,该拓扑中开关器件电压应力大,因此如果选用高压的IGBT作为开关器件,则开关损耗很大。新型的碳化硅MOSFET由于兼顾了高耐压与低通态电阻,其具有较小的开关损耗,可以降低开关损耗,尤其是关断损耗。但由于高频工作时其开通损耗仍然较大,严重制约变换器效率的提高。因此,利用碳化硅MOSFET优良的开关特性,采用电感电流三角波模式(TCM)的控制方式,使器件工作在零电压开通状态下,进一步降低开关损耗。针对这种控制方式,详细叙述了各个关键参数的计算,并设计搭建了一台1 100 W的全碳化硅半桥功率因数校正变换器,其达到了较高的效率,峰值效率达到了99.2%。     

基于电流源驱动的MOSFET管损耗模型及分析

对于以电压源方式驱动功率MOSFET管,随着开关频率的提高,其开关损耗将显著增加。以此为切入点对电流源驱动功率MOSFET管进行了研究。在对电流源驱动MOSFET管原理性分析的基础上,通过详细地分析功率MOSFET管的开关过程,建立MOSFET管开关损耗模型,求解得到漏极电流、漏源电压与栅源电压之间关系,证明了电流源驱动在减少开关时间和开关损耗上的优越性。在开关频率为1 MHz、输入电压为12 V、输出电压和电流分别为1.3 V和25 A的低压大电流实验平台上进行了验证,实验结果证明了所提出的MOSFET管损耗模型的正确性。     

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。     

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。     

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。     

负载大小对SiC MOSFET开关速度的影响

现有研究多关注驱动电阻、驱动电压、寄生参数等对碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关特性的影响,鲜有文献研究负载大小的影响。针对负载大小影响SiC MOSFET开关速度这一现象,建立开关过程模型,结合其转移特性分析此现象产生的原因,仿真和理论分析表明,SiC MOSFET的开通速度随负载增大而降低,关断速度随负载增大而增加。使用SiC功率模块进行双脉冲测试,结果验证了理论分析的正确性。     

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。     

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.     

一种新型SiC MOSFET驱动电路的设计

与传统硅基器件相比,碳化硅(SiC)器件的开关速度得到大幅改善,提高了变换器的功率密度与效率。然而过大的开关频率引起更为严重的栅极串扰问题,造成器件失效。分析了SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的开关过程与串扰产生原理,详述其设计过程,分析了外并电容的抑制串扰驱动电路,最后设计出一种带有信号隔离功能的可抑制栅极串扰的负压驱动电路。实验结果表明,所设计的SiC MOSFET驱动电路的驱动波形高低电平分明,而且有效抑制了栅极串扰问题,大幅减小器件的开关延时时间,降低了开关损耗。     

SiC MOSFET在双向无线充电应用中的开关性能及效率优化研究

SiC MOSFET器件具备开关频率高、损耗小、耐高温等特性，应用于无线充电中可以显著提升其功率密度及效率。但在无线充电变换器的控制中很容易出现硬开通、硬关断的情况，这会产生额外的开关损耗。同时，在电磁环境和寄生参数的影响下，开关管门级容易因电压过冲、振荡导致加速老化或损坏。基于上述原因对双向无线充电系统中的开关特性、开关损耗及影响开关可靠性的因素进行分析及仿真验证，最后通过对搭建的双向无线系统样机在满功率和半功率点进行不同驱动参数的对比实验，得出了驱动参数对系统传输效率及门级波形的变化趋势，对双向无线充电系统中SiC MOSFET的应用和效率优化具有一定参考依据。     

高功率密度碳化硅MOSFET软开关三相逆变器损耗分析

相比硅IGBT,碳化硅MOSFET拥有更快的开关速度和更低的开关损耗。碳化硅MOSFET应用于高开关频率场合时其开关损耗随着开关频率的增加亦快速增长。为进一步提升碳化硅MOSFET逆变器的功率密度,探讨了采用软开关技术的碳化硅MOSFET逆变器。比较了不同开关频率下的零电压开关三相逆变器及硬开关三相逆变器的损耗分布和关键无源元件的体积,讨论了逆变器效率和关键无源元件体积与开关频率之间的关系。随着开关频率从数十kHz逐渐提升至数百kHz,软开关逆变器不仅能够维持较高的转换效率,还能取得更高的功率密度。最后,在1台9 kW软开关三相逆变器和1台9 kW硬开关逆变器上进行了实验验证。     

换流回路的寄生参数对碳化硅MOSFET开关特性的影响

为有效评估换流回路的寄生参数对碳化硅MOSFET开关特性的影响,首先建立了考虑换流回路寄生参数的完整的碳化硅MOSFET开关暂态电路模型,该模型考虑了换流回路负载电感的寄生电容,并将换流回路的寄生电感分为二极管支路电感和其他串联电感两部分,基于所建立的模型分析了器件的开关特性。然后搭建了碳化硅MOSFET动态特性测试平台并提取了对应的等效电路计算模型,通过解析与计算模型的结合分析了换流回路各部分寄生参数对碳化硅MOSFET开关特性的影响。最后通过实验验证了分析结果的正确性。结果表明,在考虑负载电感寄生电容的情况下,换流回路中二极管支路电感与其他串联部分电感对碳化硅MOSFET开关特性的影响不同,且二极管支路电感对关断电压过冲的影响更大。在此基础上,针对电压过冲与绝缘击穿问题,对高压碳化硅MOSFET动态特性测试平台的布局优化与寄生参数设计提出建议。     

基于驱动电流动态调节的低过冲低损耗SiC MOSFET有源门极驱动

与硅基功率器件相比,碳化硅(silicon carbide,SiC)MOSFET具有开关速度更快、导通损耗更低等优点,将越来越广泛的应用于高效高功率密度场合。但是,其开关特性对寄生参数非常敏感,在高速开关过程中极易产生瞬态电压电流尖峰和高频开关振荡,严重威胁Si C基变换器的可靠运行。针对这一问题,文中对SiC MOSFET的开关暂态过程进行深入分析,揭示门极驱动电流对开关过程电压电流过冲、振荡与开关损耗的影响机理。在此基础上,提出一种驱动电流分段动态调节的SiC MOSFET有源门极驱动电路,即根据开关过程不同阶段的状态反馈动态调整器件门极驱动电流。实验结果表明,所提出的方法能够在维持低开关损耗的同时,实现了对SiC MOSFET开关过程中电压电流过冲和高频振荡的有效抑制,提升SiC基电力电子装置的动态性能与运行可靠性。     

SiC MOSFET开关损耗模型

相比于硅(Si)功率器件,碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)具有耐高温、耐高压、低导通电阻、快速开关等优势,能够极大提升开关速度、减小损耗。传统封装所引入的寄生电感(特别是共源极寄生电感)及SiC MOSFET自身特性参数的非线性现象对于SiC器件的损耗有待进一步评估。针对上述问题提出一种SiC MOSFET的开关损耗模型,并采用热学方法进行了开关损耗的测试。实验结果验证了该模型的准确性,为SiC MOSFET的电路设计提供指导和帮助。     

碳化硅MOSFET的变温度参数建模

为在全温度范围内准确反映碳化硅(silicon carbide,SiC)MOSFET的工作特性,提出一种基于Pspice仿真软件的SiC MOSFET变温度参数模型。该模型中引入温控电压源和温控电流源以补偿SiC MOSFET静态特性随温度的变化,同时着重考虑了SiC MOSFET的低温特性和驱动电路负压的影响。详细阐述建模原理,分析各个关键参数对SiCMOSFET静态特性及动态特性的影响,给出建模原理。搭建基于Buck变换器的SiC MOSFET测试实验样机,在不同电压点、电流点及温度点(25-125℃)下进行实验测试,并将测试结果与基于变温度参数Pspice模型的仿真波形和损耗估算结果进行比较。比较结果高度吻合,功率损耗误差在10%以内,验证了提出的变温度参数模型的准确性和有效性,为实际应用中采用SiC MOSFET器件进行系统分析和效率评估提供了重要的依据。     

功率半导体应用专栏（连载）（十二）应用于反激变换器中的BIMOSFET的相关性能

反激变换器的一个典型应用场合是在逆变器中给IGBT的驱动提供辅助电源。此时反激变换器的开关管需要有比较高的击穿电压和快的开关速度。为了降低开关损耗，开通和关断的能量也要小。BIMOSFET的一个主要的优点就是它的开通损耗小，另外它的导通损耗也比较小。把MOSFET和BIMOSFET对比来看，BIMOSFET的损耗大概要小35％左右。     

全碳化硅功率模块开关瞬态特性及损耗研究

为了加快全碳化硅功率模块的实际工程应用,针对全碳化硅模块开通关断过程中电压电流变化率、栅极电压耦合、开通损耗和关断损耗开展了分析,并与传统IGBT功率模块进行了对比分析。在全碳化硅功率模块双脉冲试验的基础之上,研究了不同电压电流等级下开关瞬态特性和开关损耗,提取试验参数,获得了电压电流应力大小,为全碳化硅功率模块的工程应用提供有效参考。