考虑变温度影响的SiC MOSFET建模与分析

为了准确反映SiC MOSFET在不同温度下的电气特性,对影响SiC MOSFET电气特性的关键参数进行了分析,提出了一种SiC MOSFET等效电路模型。首先,根据SiC MOSFET阈值电压和跨导随温度变化的规律,采用函数拟合的温控电源模型对SiC MOSFET的阈值电压和漏极电流进行补偿;其次,考虑寄生电容与极间电压的关系,采用电容子电路和可变电容模型对SiC MOSFET的寄生电容进行等效模拟,根据SiC MOSFET体二极管对其静、动态特性的影响,利用独立二极管模型描述体二极管特性,进而建立SiC MOSFET的等效电路模型。最后,在不同温度条件下,对该模型进行了仿真并与实验测试结果进行了对比。结果表明所建模型较为准确地描述SiC MOSFET在较宽温度范围内的静、动态特性,验证了模型的有效性。     

IGCT-MMC中二极管反向恢复特性分析与测试

二极管的反向恢复特性在IGCT-MMC中起着重要的作用.首先介绍快恢复二极管的反向恢复特性,然后在IGCT-MMC拓扑中介绍快恢复二极管的开关行为,最后搭建适用于IGCT-MMC测试的双脉冲实验平台,并对比了3种商业化快恢复二极管产品的反向恢复特性.最终的测试结果表明,快恢复二极管的反向恢复峰值电流和功率与di/dt呈...     

高速SiC MOSFET开关特性的测试方法

为正确地评估高速SiC MOSFET的开关特性,基于双脉冲测试平台对精准的测试方法进行研究。首先,仿真证明电路中寄生电感对SiC MOSFET开关特性的影响,优化设计PCB布局以减小寄生电感,对比PCB布局优化前后的测试结果。其次,对比分析续流二极管的结电容以及负载电感的寄生电容对SiC MOSFET开通特性的影响。然后,对比分析使用不同带宽的非隔离电压探头、不同电压探头地线连接方式、不同电流测试设备对测试结果的影响,并说明电压与电流波形之间相位延迟对开关能量损耗的影响。最后,对比分析不同测试点对测试结果的影响。     

探头影响SiC MOSFET暂态稳定的阻抗建模

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)的开关速度非常快,对功率器件、电路布局和测量探头的寄生参数极为敏感。然而,测量探头和功率器件的交互机理、探头寄生参数对SiC MOSFET暂态稳定的影响机理尚不明晰,给SiC MOSFET的工业应用带来了严峻挑战。计及探头的寄生参数,该文建立电压和电流探头的电路模型和数学模型,揭示探头寄生参数对输入阻抗和测量带宽的影响规律。此外,从阻抗的角度,建立器件和探头交互作用的电路模型和数学模型。从根轨迹的角度,分析多种因素对SiC MOSFET暂态稳定性的影响规律。大量对比实验结果表明:探头的寄生参数会干扰SiC MOSFET暂态稳定性,且受辅助电路调节。低带宽的电压探头具有较大的输入电容,低带宽的电流探头具有较大的寄生电感,这些寄生参数会降低SiC MOSFET的暂态稳定性。使用较大的栅极驱动电阻,可以增强器件的暂态稳定性。此外,缓冲电路也有助于提升器件的暂态稳定性。     

传统MOSFET和超结MOSFET的体二极管反向恢复特性评估

在许多高电压开关应用当中,都需要采用具有良好特性的体二极管且耐用性强的MOSFET。依照超结(SJ)电荷平衡概念所设计的器件,由于有着比普通MOSFET低得多的Rdson而得到普及。然而,普通sJ器件的一个缺点就是它的体二极管的反向恢复特性较差。早期的sJ器件有着较大的反向恢复电流,并且在某些反向恢复的情况下易于失效。尽管后来它的体二极管特性有了一定改善,但还是不能像传统MOSFET的体二极管那样耐用。我们示出即使施加缓和上升的di/dt,普通SJ器件的体二极管也还会失效。飞兆(Fairchild)公司利用二维数字仿真在电路和器件混合建模的条件来分析反向恢复瞬态期间在器件的内部发生了什么。这帮助我们理解失效背后的原因,并且设计出了耐用性更强的SuperFETTMSJ器件。反向恢复测量表明,普通SJ器件的体二极管在di/dt仅为100A/μs的时候就会失效,而SuperFETTM器件几乎是不会破坏的,它在di/dt为1000A/μs时仍能工作。飞兆(Fairchild)公司还设计出了带有快速恢复体二极管的、耐用的SuperFETTM器件,具有较低的Trr和Qrr。     

动态死区抑制MOSFET反向恢复电流的研究

功率MOSFET器件组成桥臂式拓扑结构时,由于其内部寄生的二极管反向恢复特性较差,开关过程将产生较大的反向恢复电流,引起关断电压尖峰以及漏源极和栅源极之间的振荡.分析了桥臂上下管死区大小与反向恢复电流之间的关系,提出通过动态优化死区来减小反向恢复电流的方法.给出了死区与反向恢复电流关系的初步仿真结果,并基于两种不同反向恢复特性的MOSFET器件进行了实验研究.仿真和实验结果表明,使用动态死区可有效抑制MOSFET器件的反向恢复电流,并减小由反向恢复引起的开关损耗以及关断电压的尖峰和振荡.     

半桥结构中的SiC MOSFET串扰电压建模研究

SiC MOSFET凭借着低开关损耗、高工作频率与高工作温度点等优点,逐渐在高效率、高功率密度与高温的应用场合取代传统的硅功率器件。然而,在高速开关中带来的栅极串扰现象严重制约SiC器件的开关速度。传统的串扰抑制方法重点关注由栅极–漏极寄生电容引入的干扰电压,往往通过减小驱动回路阻抗的方式来降低串扰电压。该文基于SiC MOSFET器件的开关模态,提出考虑共源电感的分段线性化串扰电压模型。该模型基于器件数据手册及双脉冲实验提取的参数,考虑栅极–漏极电容、共源电感、体二极管反向恢复等非理想因素的影响。对比不同电压点、电流点与电阻值下实验与模型的输出结果。该模型表明,串扰电压是由器件栅极–漏极电容、共源电感与驱动回路阻抗共同作用的结果。单一降低驱动回路阻抗的方式对串扰电压的抑制效果有限。基于提出的模型,该文给出串扰电压抑制的指导方法,可直接用于SiC MOSFET驱动电路的设计。     

SiC固态功率控制器关断电压尖峰抑制方法

随着碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关速度的提高,针对SiC固态功率控制器(SSPC)在关断初期产生电压尖峰的问题,提出了一种抑制方法.首先以双脉冲测试电路为平台,利用Saber软件,探究寄生电感对SiC MOSFET开关特性的影响.接着在此基础上通过建立SiC SSPC开关模型并进行仿真,重点研究了线路产生的寄生电感对SiC MOSFET关断特性的影响.其次,利用电容储能、放能的方式将线路中寄生电感产生的能量先存储在电容中,再经过功率二极管将存储的能量释放给机内电源的思想,在分析其工作模态的前提下提出了基于能量吸收电路抑制关断电压尖峰的方法.最后,通过仿真分析和搭建硬件电路进行了验证.结果表明,与传统SiC SSPC相比,所提方法可有效抑制由线路寄生电感引起的关断电压尖峰.     

电动汽车直流变换器中高压MOSFET的振荡分析与改善

电动汽车需要高功率密度、高效率、高可靠性的高压到低压DC-DC变换器来给车内的低压电子负载提供电源。ZVS移相全桥拓扑利用电路寄生元件实现器件零电压开关,具有开关损耗低、工作频率高、功率器件开关应力小、变换器可靠性高等优点。当出现导通延迟现象时,普通功率MOSFET在移相全桥变换器中由于体二极管反向恢复特性差不能及时清除内部载流子,会导致器件在开关过程中出错,进而影响系统的可靠性。英飞凌新型过AEC-Q101认证高压功率COOLMOS CFDA带有极快速的体二极管,并具有极低的导通电阻。实验表明在移相全桥变换中使用CFDA能够减小潜在体二极管反向恢复问题,提高系统效率以及可靠性,尤其适用于车用HV-LV的DC-DC变换器。     

软开关单相光伏并网逆变器原理及并网实验

为了优化效率及提升功率密度,提出了一种采用MOSFET的软开关单相光伏并网逆变器及零电压调制方法。介绍了软开关单相并网逆变器的工作原理,通过零电压调制方法控制辅助谐振电路,实现MOSFET的零电压开通,并抑制MOSFET体二极管的反向恢复。因此,逆变器等效开关频率为100 k Hz,并网滤波电感减小。组建了一个30 kW光伏并网发电系统,对10台3 kW软开关单相光伏并网逆变器进行光伏发电测试,验证理论分析及可靠性。     

SiC MOSFETs与Si IGBTs的性能对比研究

通过采用双脉冲测试方法,以具有相同电流额定值的SiC MOSFET CMF10120D(1 200V/24A)和Si IGBT IKW25T120(1 200 V/25 A)作为样本,在相同测试条件下研究了两种器件的动态特性、反并联二极管的反向恢复特性和开关损耗。研究发现,SiC MOSFET的开关速度快,开关损耗仅为Si IGBT的69%。最后,利用IPOSIM对两种器件应用于三相逆变器中的结温进行对比研究。结果表明,在输出频率为50 Hz时,Si IGBT的最大结温为166℃,已超过允许的150℃,结温波动为37℃,而SiC MOSFET的最大结温仅为105℃,结温波动仅为19℃;反并联二极管的结温波动基本相同,但Si IGBT反并联二极管的最大结温要高出26℃。因而,在大功率、高温电力电子变换器的应用中,SiC MOSFET更具优越性。     

适用于电动汽车的SiC MOSFET PSpice仿真模型研究

为了基于PSpice电路对电动汽车DC/DC变换器中的碳化硅(SiC)MOSFET的工作特性进行实时准确地仿真,针对SiC MOSFET提出了一种新型的电压控制电流源型VCCST(voltage-controlled current source type)PSpice仿真模型。首先,为了获得SiC MOSFET准确的静态特性建立了电压控制电流源作为SiC MOSFET的内核,以描述SiC MOSFET的转移特性和输出特性;然后,为了获得SiC MOSFET准确的动态特性,建立了基于电压控制电流源与恒定电容的栅漏电容(CGD)子电路模型,所提SiC MOSFET VCCST PSpice模型在简化参数提取方法的同时,能够满足模型准确性的要求;最后,建立的SiC MOSFET VCCST PSpice模型应用于Boost变换器进行仿真和实验,并对SiC MOSFET的特性进行测试。测试结果验证了所提SiC MOSFET VCCST PSpice仿真模型的准确性和实时性,从而为SiC MOSFET在电动汽车DC/DC变换器中的设计和应用提供了便利。     

SiC结势垒肖特基二极管及JMOS介绍

介绍了结势垒控制肖特基整流器(JBS)和JBS集成碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(SiC JMOS)的特性。JMOS通过将DMOS和JBS合并于单片SiC器件,无需任何额外的工艺和面积。当SiC MOSFET中的寄生体二极管导通时,集成的JBS还可以防止由于注入的少数载流子的复合而导致的位错缺陷转变为堆垛层错的潜在风险。进行特征比较,并构建一个测试平台,以验证SiC JMOS比传统SiC DMOS的效率和可靠性有所提高。实验结果表明,SiC JMOS能以更低的成本和更高的功率密度获得更好的系统性能和可靠性。     

快恢复、超快恢复二极管外形及检测

<正>快恢复、超快恢复二极管是近年来的新型半导体器件,具有开关特性好。反向恢复时间短、正向电流大、体积小、安装简便等优点。超快恢复二极管,则是在快恢复二极管基础上发展研制成的,其反向恢复时间值已接近于肖特基二极管的指标。     

基于SiC MOSFET直流固态断路器关断初期电压尖峰抑制方法

针对碳化硅金属氧化物场效应晶体管(SiC MOSFET)直流固态断路器关断速度快、关断初期易产生较大电压尖峰及振荡问题,提出一种抑制方法。首先,建立SiC MOSFET等效电路模型,分析其不同寄生电感对固态断路器关断初期电压波形的影响。其次,利用不同电压等级金属氧化物压敏电阻(MOV)吸收能量不同的思想,提出并联MOV作为缓冲电路来抑制断路器关断初期电压尖峰的方法,在分析其工作原理和抑制效果的基础上,提出了选择缓冲MOV额定电压的依据。最后,搭建了基于SiC MOSFET直流断路器实验平台,对不同寄生电感、不同器件下的开断特性进行了比较,并对所提方法的有效性进行了验证。结果表明,相比Si IGBT固态断路器,SiC MOSFET固态断路器具有更为严重的电压尖峰和振荡问题,且随着寄生电感的增加越来越严重,所提出的方法可有效抑制其电压尖峰并减弱振荡。     

桥式电路中不同封装SiC MOSFET串扰问题分析及低栅极关断阻抗的驱动电路

由于SiC MOSFET开关速度较快,使得桥式电路中串扰问题更加严重,这样不仅限制了SiC MOSFET开关速度的提升,也会降低电力电子装置的可靠性。针对SiC MOSFET的非开尔文结构封装和开尔文结构封装的串扰问题分别进行分析,栅漏极结电容的充放电电流和共源寄生电感电压均会引起处于关断状态开关管的栅源极电压变化。提出一种用于抑制串扰问题的驱动电路,该驱动电路具有栅极关断阻抗低、结构简单、易于控制的特点。分析该驱动电路的工作原理,提供主要参数的计算方法。最后通过实验测试了两种结构封装SiC MOSFET的串扰问题,并且对提出的驱动电路进行了实验,验证了其正确性以及对串扰问题的抑制效果。     

用于精确预测SiC MOSFET开关特性的分析模型

为精确估算高频工作状态下SiC MOSFET的开关损耗及分析寄生参数对其开关特性的影响,提出了一种基于SiC MOSFET的精准分析模型。该模型考虑了寄生电感、SiC MOSFET非线性结电容及非线性跨导系数等参数。详细介绍了建立分析模型的原理,并给出了分析模型中各关键参数的提取方法。对比了基于分析模型计算得到的开关波形与实验测试结果,对比电压电流波形匹配度较高,证明了此分析模型的正确性。对比了分析模型的开关损耗与基于实验计算的开关损耗,对比结果显示两者存在偏差,而分析表明基于实验计算开关损耗的方法为不准确方法。最后基于所提出的分析模型分析了不同寄生参数对开关特性的影响,并为优化高频电路设计提出了建议。     

超低导通电阻Ron的SiC沟槽器件

本文介绍了下一代碳化硅(SiC)平面MOSFET、沟槽结构肖特基二极管和沟槽MOSFET器件。首先,开发了SiC平面MOSFET,可以抑制在正向电流通过时引起寄生PN结二极管的劣化;其次,开发了新型沟槽SiC肖特基二极管,与传统SiC二极管相比,在可接受的漏电流条件下,具有更低的正向压降;第三,开发了新型双沟槽结构SiCMOSFET,在保持超低导通电阻的同时,提高了器件的可靠性,其主要原因在于新结构有效降低了槽栅底部的最大电场强度,抑制了栅氧的击穿。     

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。     

SiC功率器件的开关特性探究

与Si功率器件相比,SiC功率器件因其阻断电压高、开关频率高和工作温度高的性能特点,显示出广阔的应用前景。本文分析了SiC肖特基二极管和SiC MOSFET的开关特性,重点研究其与Si功率器件的特性与应用差异。设计制作了基于Buck变换器的测试实验样机,分别采用Si功率器件和SiC功率器件进行测试,对测试结果进行了对比分析。实验结果验证了文中分析的开关特性差异,从而为SiC功率器件的优化选择和应用提供了一定依据。