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PLECS的车载SiC单相逆变器损耗研究

近年来,碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在电力电子领域的应用日益成熟。由于其具有损耗低、导通电阻小、开关速度快、频率高等优点,因此,当其应用在车载单相逆变器中时,可以通过提高开关频率来有效地减小磁性元件的体积,从而提高逆变器的功率密度,减轻重量。但随着开关频率的提高,逆变器的开关损耗也随之增加,因此SiC MOSFET单相逆变器的损耗分析在设计过程中至关重要。对车载SiC单相逆变器在单极性正弦脉宽调制(SPWM)下的开关器件损耗进行详细分析;在PLECS仿真软件中搭建SiC MOSFET单相逆变器的电路模型和器件损耗模型;最后搭建SiC MOSFET单相逆变器的实验平台,测试开关器件的损耗,验证损耗理论计算的正确性及损耗模型的有效性。     

6.5kV高压全SiC功率MOSFET模块研制

该文报道6.5kV、25A及100A两款全碳化硅(silicon carbide,SiC)功率金属场效应晶体管(metal oxide field-effect transistor,MOSFET)模块制备及测试结果。两款模块所采用的6.5kV SiC MOSFET及SiC肖特基二极管芯片均采用自主研制的高压SiC芯片,充分显示了在SiC材料外延、器件制备及模块封装领域国产化方面的巨大进展。该文报道6.5kV、25A和100A两款模块动静态性能表征结果,并与国际研究报道水平做对比分析。室温下,两款模块导通能力分别大于25A和100A;栅源短接,在漏极电压6.5kV时,模块漏电流分别为2.0μA和8.77μA。对6.5kV、25A模块动态参数、开关波形进行测试,以表征单管芯MOSFET动态性能特性。在工作电压3.6kV、导通电流25A下,对模块进行动态测试,结果表明,SiC MOSFET具有快速的开关特性,其中开通时间(开通损耗)和关断时间(关断损耗)分别为140ns(12.3m J)和84ns(1.31m J)。测试结果表明,研制的全SiC模块具有优越的动静态性能,相对传统硅6.5kV绝缘栅双极晶体管芯片在开关速度及开关损耗方面具有巨大优势,该款6.5kV SiC功率模块在智能电网、电能转换及配电网络领域具有广阔的应用前景。     

基于SiC MOSFET的辅助变流器应用研究

辅助变流器是轨道交通车辆的重要部件,采用SiC MOSFET作为开关器件能整体提升变流器功率密度。将原有变流器系统完成以SiC MOSFET为开关器件的功率模块整体替代,对周边无源器件进行优化设计;根据SiC MOSFET器件特性设计一款驱动电路,并进行性能测试;针对辅助变流器主电路拓扑,建立各部分损耗模型,通过仿真进行验证,并对前后系统进行损耗对比。     

基于源极电感检测法的SiC MOSFET短路保护电路研究

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)凭借高工作温度、高开关频率和低导通损耗等优点,被广泛应用于高压、高温和高工作频率场合,但SiC MOSFET的短路耐受时间较小,仅为2～5μs,这对SiC MOSFET的短路保护电路提出了更高的要求.首先总结分析SiC MOSFET短路故障特性,然后基于源极电感检测法设计一款SiC MOSFET短路保护电路并简要分析其工作原理,最后搭建实验平台进行实验验证.实验结果表明,所设计的短路保护电路结构简单,当SiC MOSFET发生硬开关短路故障或负载短路故障时,保护电路能够在故障发生的1μs内关断器件,保证器件的安全运行.     

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。     

基于全SiC器件的交错并联Boost PFC电路

与传统的硅(Si)功率器件相比,碳化硅(SiC)功率器件具有击穿电场强度高、导热率高、开关频率高、通态电阻低等优点。将SiC功率器件引入交错并联Boost功率因数校正(PFC)电路,分析了临界导通模式(BCM)下电路的工作特性,给出了主电路元器件的设计方法及设计过程,搭建了以UCC28061为控制芯片的实验电路与测试平台。测试结果表明,在达到PFC的目的、降低电流纹波的同时,在数百千赫兹工作频率下,SiC MOSFET比Si MOSFET具有更低的结温,对提升系统的工作效率、降低损耗及装置的体积,具有积极的意义。     

SiC超结MOSFET的短路特性研究

SiC超结MOSFET设计基于N/P柱的电荷补偿效应,在保证耐压的同时具有较低的导通损耗和更快的开关速度,因此对SiC超结MOSFET可靠性的分析研究有助于深入理解器件工作机理,为更好地应用提供必要的理论支撑。基于TCAD Sentaurus模拟软件,对1 200 V电压等级的传统SiC MOSFET结构和SiC超结 MOSFET结构进行建模。首先对比了2种器件的基本电学参数,然后重点分析了短路特性差异,在相同短路条件下对器件内部的物理机理进行了分析。结果表明SiC超结 MOSFET可以有效地提高器件的击穿电压和导通电阻,同时表现出更好的短路可靠性。进一步分析了不同的偏置电压下SiC超结 MOSFET的短路特性,结果表明,随着外部施加偏置电压增加,器件的短路耐受时间减小,同时短路饱和电流也会相应增大。     

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。     

大电流下SiC MOSFET模块的暂态温度特性研究

由于碳化硅(SiC)的材料特性,在极端温度下,碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)相对传统硅基器件有突出优势。目前对SiC MOSFET暂态温度特性的研究,主要以单管小电流实验为主,大电流下暂态温度特性的研究还不充分。为分析和验证大电流下暂态温度这一特性,在理论分析的基础上,以CREE 1200 V/300 A半桥SiC MOSFET模块为研究对象,通过双脉冲测试平台研究SiC MOSFET模块及其驱动电路在不同温度环境下的暂态性能。对比分析了不同温度下开关时间、开关损耗、电应力及电流、电压过冲的差异,实验结果对SiC MOSFET模块在大电流下的选型和驱动设计具有一定的参考意义。     

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。     

一种提高SiC MOSFET在高开关速率下栅极电压稳定性的驱动电路

高开关速率且栅极电压稳定的驱动是SiC MOSFET高频工作、进而实现功率变换系统小型化和轻量化的关键技术之一。针对如何在高开关速率下稳定驱动SiC MOSFET,并实现可靠的短路保护,根据栅源电压干扰的传导特点,基于辅助器件的跨导增益构建负反馈控制回路,提出一种SiC MOSFET栅极驱动,进而研究揭示该驱动的短路保护策略。首先,基于跨导增益负反馈构造栅极驱动电路并分析其工作原理;其次,研究该驱动的串扰抑制能力与短路保护特性;最后,通过实验证明基于跨导增益负反馈的栅极驱动电路的可行性,及其在串扰抑制和短路保护中的有效性。     

1 200 V SiC MOSFET参数分散性对并联均流的影响分析

基于本团队自研并金属封装的1 200V 20A SiC MOSFET器件,开展了器件参数分散性对并联组件均流的影响研究。首先引入器件偏离度和变异系数,分析了三线法和两线法测试平台对器件阈值电压和导通电阻测试结果的影响,得出三线法对于本文的测试结果更加可靠且可测参数更多;基于三线法的测试平台,实验测试了器件的基本特征参数,包括阈值电压、导通电阻、跨导等,并分析了30只器件的分散性,结果表明测试器件跨导的一致性较好,而阈值电压和导通电阻的偏离度较大;最后,以阈值电压和导通电阻为研究对象,选择了器件两参数相近与分散性较大的SiC MOSFET进行并联双脉冲实验,在排除了测试回路寄生参数的基础上,通过实验和仿真对比验证了导通电阻及阈值电压对器件并联均流的影响,结果表明阈值电压对于并联系统开关前后瞬态过程的均流影响较大,阈值电压较小的器件将承担更大的过冲电流,影响并联系统的可靠性;相比开关瞬态过程,导通电阻则是对稳态后的均流影响更大,导通电阻较小的器件将承担更大的电流,影响支路器件的可靠性。     

一种改进型抑制SiC MOSFET桥臂串扰的门极驱动设计

由于传统驱动中SiC MOSFET在高开关频率的情况下其寄生参数造成的桥臂串扰更加严重,而现有的抑制串扰驱动电路大多是以增加开关损耗,增长开关延时和增加控制复杂度为代价抑制串扰。因此,根据降低串扰产生过程中驱动回路阻抗的思想,提出一种在栅源极间增加PNP三极管串联二极管和电容的新型有源密勒钳位门极驱动设计,并分析其工作原理,对改进驱动电路并联电容参数进行计算设计。最后,搭建了直流母线电压为300V的同步Buck变换器双脉冲测试实验平台,分别与传统串扰抑制电路,典型串扰抑制电路的正负向串扰电压尖峰抑制效果和开通关断速度做对比分析。实验结果表明,提出的串扰抑制驱动电路正负向电压尖峰分别比传统和典型串扰抑制电路降低了80%和40%,同时减少了32%的器件开关延时。     

针对碳化硅器件的高频逆变器缓冲电路设计

由于大功率、高频高温等运行环境的需求,碳化硅(SiC)器件成为新一代半导体器件的代表,但其尖峰问题一直制约着这一新型器件的发展。以SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)为研究对象,着重从逆变器中运用SiC器件的方面来进行尖峰问题的研究,分析了SiC MOSFET在开关过程中产生尖峰和振荡的原因,通过增加RC缓冲电路的方法对SiC的尖峰和振荡问题进行优化,结果证明RC缓冲电路可以降低SiC器件产生的尖峰和振荡。通过多组实验进行数据曲线的拟合,确定了RC缓冲电路中缓冲电容与缓冲电阻的关系表达式。     

Buck同步整流电路MOSFET损耗的计算

在推导计算公式的基础上,对Buck同步整流电路中MOSFET管的损耗进行了细致的理论计算,并通过对CPU供电电路损耗的计算,验证了计算公式的正确性.虽然验证结果没有100%的吻合,但考虑实验条件及无法计算的因素,可以说结果还是可以接受的.     

基于SiC MOSFET户用光伏逆变器的效率分析

户用型光伏逆变器的发展趋势是高频化、高效率、高功率密度,近年来,SiC MOSFET在电机驱动、光伏逆变器等场合得到了广泛研究。本文将SiC MOSFET应用于1.6kW两级式光伏逆变器中,提高逆变器的开关频率,对前后两级独立进行了效率分析。在前级Boost中,比较了20 kHz 到100kHz 开关频率下,SiC MOSFET和Si MOSFET 对Boost效率的影响;在后级逆变器中,比较了100 kHz SiC MOSFET逆变器与20 kHz Si MOSFET H6逆变器的效率。搭建了1.6kW两级式光伏逆变器实验模型,采用SiC MOSFET,并在逆变器实验模型上对分析结果进行了实验验证。