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。     

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。     

SiC功率模块开关特性测试研究

碳化硅(SiC)功率模块在开关时电压、电流变化率高,测试系统的寄生电感容易引起电压、电流振荡,使得开关特性的准确测试成为难题。这里通过研制低寄生电感的开关特性测试平台,结合不同封装的SiC功率模块,研究了栅极电阻、不同测试系统对开关性能的影响,测试系统寄生电感越大,需选用的栅极电阻越大,否则电压、电流的振荡影响开关特性测试;测试系统寄生电感越小,可选用的栅极电阻越小,其开关损耗越小。     

SiC MOSFET体二极管反向恢复特性研究

详细分析了新型功率器件SiC MOSFET的结构特点及其寄生体二极管的反向恢复机理,推导了反向恢复过程的电压与电流计算;同时,搭建了双脉冲实验测试平台,通过实验和仿真的方法,测试了不同关断电压、正向导通电流和串联寄生电感这些最常见的外部因素对SiC MOSFET寄生体二极管反向恢复特性的影响;此外,对比测试了同电压等级的SiC MOSFET、Si MOSFET寄生体二极管和快恢复二极管的反向恢复性能。相关结果表明SiC MOSFET寄生体二极管可以作为变换器中的续流通道而不必额外再单独反并联快恢复二极管,对实际工程应用有一定的借鉴意义。     

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。     

寄生电感对于功率MOSFET开关特性的影响

分散在MOSFET栅极、源极、漏极的寄生电感由于封装以及印制电路板（PCB）走线,改变了MOSFET的开关特性。通过仿真分析对比,指出MOSFET寄生电感存在如下特性：源极电感对栅极驱动形成负反馈,导致开关速度变慢,采用开尔文连接,可以将栅极回路与功率回路解耦,提高驱动速度;在米勒效应发生时刻需要合理地降低栅极电感来降低栅极驱动电流;漏极电感通过米勒电容影响MOSFET的开通速度,在关断时刻导致电压应力增加;在并联的回路当中,非对称的布局将导致MOSFET之间的动态不均流;当MOSFET在开关过程中,环路电感与MOSFET自身的结电容产生振荡时,可以在电路增加吸收电容减小环路电感,改变振荡特性。     

寄生电感对SiC MOSFET开关损耗测量的影响

双脉冲测试是评估器件动态特性的重要手段.测试电路的寄生参数将对测试结果产生直接影响.基于双脉冲测试平台,研究并评估寄生电感对碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)开关损耗测量的影响.首先,用低感电阻替换测试电路中的续流二极管,通过对母线电容放电状态下的电压和电流波形进行高阶多项式拟合,计算得到双脉冲测试电路主回路的寄生参数.其次,通过调整主回路跳线接口处的空心小电感感值,获得不同主回路寄生电感值的双脉冲测试电路.最后,对比分析了不同电压电流测试条件下寄生电感对开关损耗测量的影响.研究结果表明:随着主回路寄生电感的增大,在开通阶段漏源电压下降变快,开通损耗随之减小;而在关断阶段漏源电压过冲增大,关断损耗随之增大,总开关损耗几乎不变.     

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.     

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。     

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。     

开关电源中印刷电路板寄生参数对传导电磁干扰影响的研究

研究了开关电源中印刷电路板寄生参数及功率器件瞬态特性产生的传导电磁干扰现象。针对半桥型DC／DC变换器电路拓扑，使用Cadence软件中的Specctra Quest工具提取了印刷电路板上主要印制线的寄生参数，通过噪声等效电路模型的仿真计算，表明高频情况下印刷电路板寄生参数对传导电磁干扰有较大的影响。最后，对两台原理样机(仅印刷电路板布线不同)的工作波形进行了实验测试，实验结果表明功率器件开通和关断瞬间形成的电压和电流突变而造成的高频振荡现象与电路杂散参数有关。最后，对两台原理样机(仅印刷电路板布线不同)的工作波形进行了实验测试，实验结果表明功率器件开通和关断瞬间形成的电压和电流突变而造成的高频振荡现象与电路杂散参数有关，说明在不改变原理电路的条件下，通过合理设计印刷电路板布线可以有效提高开关电源的EMC性能。     

耦合电感式新型交错Boost软开关变换器研究

提出一种新型的耦合电感式交错并联Boost软开关变换器的拓扑结构,并对相应控制方法及耦合电感耦合系数进行设计。该变换器利用耦合电感漏感与开关管输出电容之间的谐振,令开关管在占空比大于0.5时实现零电压开通,在占空比小于0.5时实现近似零电流开通,降低了开关损耗;而且没有添加额外器件,不会对变换器功率密度造成影响。详细给出了电路拓扑结构、工作原理及工作过程分析,对表征电路能量传递的有效占空比进行了讨论,对影响软开关效果的耦合电感耦合系数进行了分析与设计,最后在SIMetrix环境下进行仿真,并搭建了250 W原理样机,仿真与试验结果验证了理论分析的正确性。     

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。     

基于“负参数”理论的EMI滤波器寄生参数的双重消除

EMI滤波器是抑制传导电磁干扰的有效器件,但分立元件的自有寄生参数对其高频段性能有重要影响。本文利用两个同侧耦合电感器等效出"负电感"和在电感器中心处连接电容器等效出"负电容"的方法,消除滤波器中的寄生电感和寄生电容。为有效控制二次寄生参数对消除效果的影响,设计了一种新型平面"消除器"和双线并绕串联结构的电感器,其中前者为上、下交错排列的PCB导线构成的圆形线圈,采用3D有限元法计算了两交错线圈的互感,为设计该类消除器提供了一种数值计算方法;后者通过高耦合度的线圈中间节点与地之间接一4倍于寄生电容的电容器,可有效消除电感器的一次及二次寄生电容。将此类具有消除器的元件应用于EMI共模滤波器,以此消除对应的寄生参数,实验表明滤波器的高频性能得到了明显改善。     

电压源型PWM逆变器死区效应补偿策略研究

针对电压源型PWM逆变器的死区效应,提出了一种减小零电流钳位和寄生电容影响的死区补偿方法。分析了因死区时间和开关器件的非理想特性引起的误差电压,对因零电流钳位造成的电流极性检测不准进行了校正,并根据功率开关器件寄生电容引起的导通和关断延时,对补偿电压大小进行了调整。仿真结果证明,该补偿方法有效改善了电机的电流波形,提高了逆变器的输出性能。     

矩形截面圆环铁氧体磁芯电感器频率特性

本文建立了铁氧体磁芯电感器的集中参数模型,该模型包括电感、寄生电容及等效的损耗电阻等参数。其中等效的损耗电阻考虑了绕组导线由于集肤和邻近效应的交流电阻,同时将铁氧体磁芯的损耗等效为与频率有关的电阻。通过实例,给出了模型的等效串联电阻、等效串联电抗和相位角的计算值和测量值随频率变化的曲线,并进行了比较。计算结果与网络分析仪测量结果有很好的吻合,验证了模型的正确性。     

基于GaN的并联反激均衡器的设计分析

分析寄生电感与结温对GaN并联电路的性能影响。首先理论分析寄生电感与结温的影响情况,得出这些因素与电路损耗的关系式;并且结合仿真,测试出该变换器的电压电流图像。基于并联反激均衡器理论分析与仿真电路的结果进行研究分析,得出了电路PCB的布局方案和电路的控制策略,能够更好地解决电路的延迟、振荡和不均衡的现象。最后通过设计出来的样机,与Si的电路和不同负载情况,对比分析电路的稳定性能与均衡性能,验证所得到的布局方法与控制策略能够降低寄生电感与结温对于电路的影响情况。     

Hybrid MOSFET/driver for ultra-fast switching

The ultra-fast switching of power MOSFETs, in about 1 ns, is very challenging. This is largely due to the parasitic inductance that is intrinsic to commercial packages used for both MOSFETs and drivers. Parasitic gate and source inductance not only limit the voltage rise time on the MOSFET internal gate structure but can also cause the gate voltage to oscillate. This paper describes a hybrid approach that substantially reduces the parasitic inductance between the driver and MOSFET gate, as well as between the MOSFET source and its external connection. A flip-chip assembly is used to directly attach a die-form power MOSFET and driver on a PCB. The parasitic inductances are significantly reduced by eliminating bond wires and minimizing lead length. The experimental results demonstrate ultra-fast switching of the power MOSFET with excellent control of the gate-source voltage.     

大功率IGBT模块结温提取研究

为了提高大功率功率变换器的可靠性,需要对大功率绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块进行温度监测,到目前为止,该领域对高压IGBT的研究很少。本文搭建了双脉冲实验平台,对4.5 kV、1.2 kA IGBT模块开关瞬态时的热敏感电参数进行了测量,并对每个参数是否适用在线结温提取以及预期成本进行了讨论。结果表明,大多数参数除温度外还强烈依赖于负载电流和母线电压,最合适的结温提取参数是准阈值电压和开通时集电极电流变化率,它们都可以通过IGBT的寄生电感来获取。