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。     

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。     

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。     

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 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功率器件特性参数的提取与拟合

为了对碳化硅(SiC) MOSFET功率器件的特性参数进行全面的研究,提出了一种碳化硅(SiC) MOSFET变温度参数模型,该模型考虑了功率器件中封装引脚寄生电感、内部寄生电容、体二极管等特性参数,并根据器件的开关过程中的不同阶段,将功率器件中的导电沟道等效为不同电路模型。为获取该模型中的涉及的特性参数,搭建了基于Agilent B1505A功率半导体分析仪和矢量网络分析仪(VNA)的测试平台对SiC MOSFET功率器件的静态特性参数进行了全面测量,然后使用基于贝叶斯正则化LM算法的改进BP人工神经网络对所测的数据进行非线性拟合。结果表明,相较于传统拟合方法,该方法具有更高的精确度与泛化能力,为SiC MOSFET功率器件建模与参数分析提供了重要依据。     

基于SiC器件同步整流的高效Boost电路

Boost电路的效率高低直接决定着其应用效果和其所在系统的性能,提高Boost电路的效率至关重要。深入研究SiC器件的特点,在Boost电路中采用新颖的SiC功率半导体器件替代传统的Si器件。设计了适用于SiC MOSFET的驱动电路,引入同步整流技术,并部分地实现了功率器件的软开关,最终设计出了高效的应用在高压场合的Boost电路。实验结果表明全采用SiC器件的Boost电路效率得到了较大提高,可在更高频率下工作,应用同步整流和软开关技术后进一步提高了效率。     

基于碳化硅功率器件的高频感应焊机设计

高频感应焊机可用于钢管直缝焊接,主要特点为开关频率高和设备功率大,功率器件为硅MOSFET和硅快恢复二极管。由于硅基功率器件的特性限制,高频感应焊机的效率、容量和成本受到了一定制约。随着碳化硅功率器件技术的不断成熟,其性能特点尤其适用于大功率高频感应焊机设备。通过对硅和碳化硅功率器件参数进行对比分析,使用碳化硅功率器件对现有串联型高频感应焊机主电路进行优化,并设计了适用于多器件并联的SiC MOSFET驱动电路和功率单元。最后,搭建了1台100 kW/500 kHz的SiC MOSFET串联型高频感应焊机样机,进行实验测试。实验结果表明,所设计的高频感应焊机性能和焊接效率均高于现有设备。     

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.     

用于全桥变换器的SiC MOSFET驱动电路设计

碳化硅(SiC)器件由于具有禁带宽度更宽、临界击穿场强高、导通电阻小等优点,相比于硅(Si)器件更适用于高频开关场合,有利于提升电力电子装置的效率,减小装置体积。SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)在全桥电路应用中,交替导通的上、下开关管易发生串扰问题,严重限制了SiC MOSFET的应用。结合SiC MOSFET的参数特性及驱动要求,设计了一种高效的SiC MOSFET驱动电路,描述了其电路设计过程,并采用了一种栅极有源箝位串扰抑制方法。最后搭建了实验测试平台,验证了驱动电路的功能。     

基于SiC MOSFET三电平Buck变换器电压尖峰抑制研究

SiC MOSFET工作频率高,温度稳定性好,应用于三电平Buck变换器中可以减小系统损耗,提高系统效率,但SiC MOSFET的高频特性会使其开关过程中的电压尖峰更为严重。针对该问题,分析了三电平Buck电路SiC MOSFET开关过程及瞬态电压尖峰产生机理;在传统的充放电型RCD吸收电路的基础上加以优化改进,设计了一种低损耗型RCD吸收电路作为电压尖峰抑制方法。首先,对充放电型RCD吸收电路和改进后的低损耗型RCD吸收电路的工作原理及损耗进行对比分析;其次,搭建了三电平Buck变换器实验装置,对吸收电容和电阻进行参数设计;最后,通过实验验证了低损耗型RCD吸收电路的有效性、参数设计的合理性;结合理论分析和实验结果表明,相比于带充放电型RCD吸收电路,带低损耗型RCD吸收电路的三电平Buck变换器具有更低的损耗。     

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。     

基于SiC MOSFET的电力电子变压器双有源桥功率模块设计

将宽禁带半导体器件SiC MOSFET引入电力电子变压器子模块的功率变换部分,通过提高开关频率、降低无源器件的体积及重量,可有效提高电力电子变压器的功率密度。从工程应用需求出发,介绍一种基于SiC MOSFET的电力电子变压器DAB(双有源桥)功率模块的设计方案,具体包括功率电路的原理分析及电路设计、控制保护电路设计及SiC MOSFET驱动电路设计,对SiC MOSFET进行双脉冲测试和短路测试,对功率模块进行性能试验和系统试验,从而验证了功率模块运行的可靠性和高效性。     

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.     

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。     

SiC功率MOSFET器件研制进展

碳化硅(SiC)功率金属-氧化物半导体场效应管(MOSFET)以其优越的性能受到广泛关注,但受限于器件设计和工艺技术水平,器件的潜力尚未得到充分发挥。介绍了SiC功率MOSFET的结构设计和加工工艺,采用一氧化氮(NO)栅氧退火工艺技术研制出击穿电压为1 800 V、比导通电阻为8mΩ·cm~2的SiC MOSFET器件,测试评价了器件的直流和动态特性,关断特性显著优于Si IGBT。评估了SiC MOSFET器件栅氧结构的可靠性,器件的栅氧介质寿命及阈值电压稳定性均达到工程应用要求。     

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驱动及保护电路设计

SiC MOSFET器件具有高耐压、低导通电阻、高频等优良特性,工业应用中具有明显优势,发展快速。本文首先阐述了SiC MOSFET主要特性,分析了驱动电路的特点,并给出了基于分立器件的驱动及保护电路设计。基于CREE公司最新第三代器件,设计了驱动电路,并通过双脉冲电路及桥臂直通电路测试验证所设计的SiC器件门极驱动电路参数及短路保护电路参数的准确性和合理性。