宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用

以碳化硅(silicon carbide,SiC)为主的第3代半导体技术突破了硅材料半导体器件在耐压等级、工作温度、开关损耗和开关速度上的极限,能够显著减少电力电子变换器的重量、体积、成本,提高电力电子系统的性能。一直以来,高功率密度电动汽车电力驱动系统一直是新一代大功率电动汽车发展的主要挑战,而宽禁带功率器件的应用,将对新一代电动汽车特别是混合电动汽车的发展产生重要影响。论文主要介绍SiC功率半导体器件的发展,对SiC器件在电动汽车中的研究现状与应用前景进行分析和展望,最后探讨SiC器件在电动汽车电力驱动系统应用中面临的主要问题。     

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。     

电力电子器件及其应用的现状和发展

电力电子是现代科学、工业和国防的重要支撑技术,功率器件是电力电子技术的核心和基础,其应用是电力电子技术发展的驱动力。该文对现代电力电子器件,特别是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率器件及当前电力电子应用装置/系统的诸多热点问题(绿色能源应用、电动汽车、LED照明)的现状和发展前景进行简要的综述。     

基于双脉冲实验的SiC与IGBT特性对比研究

SiC功率器件的应用要求对SiC半导体器件本身结构性能及工作特性等有系统认识和研究,其相关工作在国内才刚起步。通过搭建双脉冲实验平台,对SiC功率器件驱动工作特性进行实验研究,进行双脉冲测试,实现530 A大电流驱动关断实验。与IGBT模块的双脉冲测试结果对比,SiC功率器件比IGBT器件开关速度更快,开关损耗更小,续流管反向特性好,反向恢复电流更小。此外,针对SiC功率器件关断时的涌浪电压问题,采用纯C吸收电路可有效抑制涌浪电压,降低器件的关断损耗。     

1200V碳化硅MOSFET在智能电网电力电子设备中的应用特性研究

未来智能电网的发展中将大量采用电力电子装置来实现新能源接入、高压直流输电以及电能质量的改善等。电力电子装置的核心元件是功率半导体器件。传统硅基功率半导体器件(如IGBT、功率MOSFET等)的发展已接近其物理极限,而新一代宽禁带半导体器件(特别是碳化硅功率器件)的优异性能正可以满足未来智能电网对高效率、高性能电力电子装置的需求。为了准确地了解并评估碳化硅功率器件对智能电网中电力电子装置效率的影响,本文对1 200 V级碳化硅MOSFET的动静态特性进行了系统完整的测试和分析,并将其功率损耗特性与相同功率等级的硅基MOSFET进行了实验测试与对比。结果表明,采用碳化硅MOSFET可以大幅度减小电力电子装置的功率损耗,特别是器件的通态损耗。相比于采用硅基MOSFET的电力电子变换器,采用碳化硅功率器件的装置其器件损耗可以减少60%以上。最后,本文对碳化硅功率器件在未来智能电网中的应用进行了展望。     

基于文献计量的我国功率半导体器件研究状况分析

电力电子器件又称为功率半导体器件,是电力电子技术的核心。基于文献计量的方法对我国功率器件领域的理论创新情况进行可视化研究。以知网数据库2010~2019年间发表的科技论文作为数据源,借助Ucinet软件对我国功率器件在热点领域、研究机构、基金分布等方面进行分析。得知我国在该领域的发展状况主要为:1)研究重点大多集中在如何提高Si基IGBT和SiC基MOSFET的可靠性、工作效率等性能;2)应用领域多集中于电动汽车、电力电子器件、光伏逆变器、微波和开关电源;3)研究机构以科研院所和高校为主;4)基金项目主要以国家基金为主,诸多省市对于功率器件领域的基金项目尚是空白。分析结果旨在为政府部门及国家相关机构把控功率器件领域的知识创新情况和技术发展趋势提供参考。     

碳化硅功率器件在电力电子中的应用

从碳化硅(SiC)功率半导体器件的等效电路入手,分别讨论了碳化硅肖特基二极管(SiC SBD)与碳化硅结型场效应功率晶体管(SiC JFET)的稳态与暂态特性。分析并解决了碳化硅器件开通电压与驱动电压不匹配的问题,设计了一种SiC JEFT功率开关器件的驱动电路。实验结果表明,SiC新器件具有良好的开关特性,驱动电路可以有效驱动SiC JFET器件。     

SiC功率器件在Buck电路中的应用研究

近年来,一种新型半导体器件碳化硅(SiC)以其优良的性能逐渐受到人们的关注。介绍了SiC的材料特性及基于SiC的功率开关器件的特性,并对其在Buck电路中的应用进行了探索。主要对SiC器件的特性参数进行分析,并对Buck电路的主功率部分及控制驱动部分进行了设计。通过设计Buck电路并进行仿真实验,验证了理论设计的正确性。实验结果表明,SiC MOSFET器件在高频大电压的应用场合相对于硅(Si)MOSFET器件有着开关损耗低,效率高等优点。     

宽禁带器件在电动汽车中的研究和应用

硅基电力电子器件经过长期的发展,其性能已经逼近其材料极限,很难再大幅提升硅基电力电子装置的性能。以碳化硅和氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体器件比硅器件具有更优的器件性能,成为电力电子器件新的研究发展方向。首先主要介绍了电动汽车对电力电子变换器的要求及宽禁带器件的发展,然后对宽禁带器件在电动汽车中的研究现状进行了分析和展望,最后指出了宽禁带器件在电动汽车应用中面临的主要问题。     

SiC器件在卫星电源系统中的应用与分析

SiC器件作为宽禁带半导体器件代表,具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率、高电压、高频率和高抗辐照等优越的物理和电气特性,在卫星电源系统中具有巨大的应用潜力.介绍了卫星电源系统发展的现状与趋势,论述了当前国际宇航研究机构对SiC功率器件在卫星电推进系统中应用的研究,并提出SiC器件在卫星中应用的单粒子需求趋势....     

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。     

2017年第12期“高频、超高频电力电子功率变换技术”专辑征文启事

正为促进高频、超高频电力电子功率变换技术研究和应用,本刊拟将2017年第12期辟为"高频、超高频电力电子功率变换技术"专辑,以集中反映这一技术领域最新科研成果,关键技术发展和创新。征文范围包括:①高频、超高频电力电子功率变换器拓扑;②高频、超高频电力电子功率变换器驱动技术,包括谐振驱动技术、电流源驱动技术等;③高频、超高频电力电子功率变换器控制技术;④新型材料半导体器件(SiC,GaN)在高频、超高频电力电子功     

2017年第12期“高频、超高频电力电子功率变换技术”专辑征文启事

<正>为促进高频、超高频电力电子功率变换技术研究和应用,本刊拟将2017年第12期辟为"高频、超高频电力电子功率变换技术"专辑,以集中反映这一技术领域最新科研成果,关键技术发展和创新。征文范围包括:①高频、超高频电力电子功率变换器拓扑;②高频、超高频电力电子功率变换器驱动技术,包括谐振驱动技术、电流源驱动技术等;③高频、超高频电力电子功率变换器控制技术;④新型材料半导体器件(SiC,GaN)在高频、超高频电力电子     

2017年第12期“高频、超高频电力电子功率变换技术”专辑征文启事

<正>为促进高频、超高频电力电子功率变换技术研究和应用,本刊拟将2017年第12期辟为"高频、超高频电力电子功率变换技术"专辑,征文范围包括:①高频、超高频电力电子功率变换器拓扑;②高频、超高频电力电子功率变换器驱动技术,包括谐振驱动技术、电流源驱动技术等;③高频、超高频电力电子功率变换器控制技术;④新型材料半导体器件(SiC,GaN)在高频、超高     

未来十年关键性功率器件的发展(英文)

功率半导体技术主要用于控制电源与负载之间的能量传输,为此要求功率半导体技术要有极高的控制精度,极快的控制速度以及极低的能量损耗。功率半导体器件在这里发挥了极其重要的作用。本文对未来十年关键性功率半导体器件的发展进行了预测,详细介绍了新型功率 MOSFET、IGBT以及SiC器件在未来功率半导体技术中的应用前景。     

全碳化硅大功率直流电源关键技术研究

碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件的耐压、频率和损耗等特性均优于硅(Si)器件,然而SiC器件抗冲击能力差、电磁干扰大,且SiC器件对整个功率变换系统的贡献尚缺乏分析验证,因此,采用全SiC器件研制高性能的大功率直流电源具有一定挑战。首先针对SiC器件抗冲击能力差的问题,引入嵌入式保护策略,应对直流电源外部冲击扰动和短路故障。其次,针对电磁干扰大的问题,设计了电磁干扰滤波器抑制传导干扰。最后,比较全Si C电源和传统全Si电源,以实验研究的方式验证功率器件使用SiC器件的技术优势。对全SiC大功率直流电源的关键技术进行全面研究和实验验证,为SiC半导体器件在大功率电能变换中的应用提供了有益参考,并为其优异性能提供坚实依据。     

并联碳化硅MOSFET短路振荡机理

碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)为高性能电力电子技术提供了技术保障,其短路承受能力是进一步提升电力电子变换器可靠性的关键;特别是在大功率场合,经常将SiC MOSFET并联使用,然而影响并联SiC器件短路振荡的关键因素并不十分明确,振荡机理有待进一步研究。此处以并联SiC MOSFET为研究对象,建立在短路工况下的等效数学模型,分析影响并联短路特性的关键因素并进行实验验证,归纳短路振荡机理。理论分析与实验结果表明,当并联SiC MOSFET发生短路故障时,栅极驱动电阻和功率回路杂散电感是导致器件并联系统振荡的主要因素,过小的栅极驱动电阻使得并联系统振荡频率和尖峰增大;过大的功率回路杂散电感导致系统振荡频率降低,而振荡尖峰增大,系统的剧烈振荡不利于SiC MOSFET稳定性提高。     

基于SiC器件的感应电机驱动器设计及性能分析

对于感应电机系统而言,功率器件的开关频率是制约其电流环带宽的重要因素之一.传统硅基器件受开关损耗等因素的限制,开关频率已经接近瓶颈.碳化硅(SiC)器件作为第三代半导体器件,具有低损耗、高耐温、高开关速度等优良特性,可以大幅提高功率变换器的开关频率.针对SiC器件电机驱动器进行了设计与研究,首先分析了PWM延时对于电机控制系统电流环带宽的影响,之后对SiC电机驱动器的控制结构、驱动电路等进行了设计与验证,最后通过实验验证了SiC驱动器的性能.随着开关频率的提高,电机控制系统的电流环控制性能不断提升,从而为控制系统提供了较大的电流环带宽裕度.     

2017年第9期“宽禁带半导体器件在电力电子技术中的应用”专辑征文启事

正为促进宽禁带半导体材料器件应用问题的研究和产业应用推广,本刊拟将2017年第9期辟为"宽禁带半导体器件在电力电子技术中的应用"专辑,征文范围包括:①宽禁带半导体器件工作机理、参数特性分析及建模方法;②驱动与保护方法及电路设计;③采用宽禁带半导体器件的功率变换器电路拓扑、功率回路优化设计等关键应用技术     

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件及其应用研究

综述了Si IGBT/SiC MOSFET混合器件在门极优化控制策略、集成驱动设计、热电耦合损耗模型、芯片尺寸配比优化和混合功率模块研制等方面的最新研究成果与进展。Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结合了SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性和Si IGBT的大载流能力和低成本优势,已有文献的最新研究和实验结果验证了该类器件的优异特性,表明其对高性能电力电子器件实现更高电流容量、更高开关频率和较低成本具有重要意义,是高性能变换器应用中非常有潜力的功率器件类型。