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。     

考虑器件工作温度影响的Si C功率MOSFET建模

提出一种基于MATLAB/Simulink的SiC功率MOSFET全工作区变温度参数建模方法。在Si基横向双扩散MOSFET模型的基础上,采用与温度相关的电流源和电压源补偿器件漏极电流和阈值电压的变化。通过补充实验拓展SiC功率MOSFET的饱和区工作特性曲线,并根据Si C功率MOSFET的工作特性,采用数学拟合的方法来提取模型参数。在保留各个参数物理意义的同时,摆脱建模过程对物理参数的依赖。在不同电压、电流及温度(25~200℃)的情况下对器件的输出特性、转移特性、阈值电压、导通电阻及开关损耗进行测试,将测试结果与MATLAB/Simulink模型仿真结果进行性比较。模型仿真结果与实际测试结果一致,开关损耗误差在7%之内,验证了模型的准确性及有效性,为实际应用Si C功率MOSFET时系统性能及损耗分析提供参考依据。     

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。     

混合并联功率器件开关模式优化及特性分析

在对比SiC MOSFET与Si IGBT器件开关特性的基础上,提出了一种SiC MOSFET和Si IGBT混合并联器件的优化开关模式,并结合系统稳态模型,分析了其非理想开关过程特性。最后利用双脉冲测试,对在不同开通/延迟时间下混合并联器件开关特性展开了实验。实验结果表明,所提开关模式能够同步实现SiC MOSFET扩容并降低Si IGBT的开关损耗,此处所得研究成果对于拓展两种开关器件的混合应用提供了技术参考。     

一种基于物理的SiC MOSFET改进电路模型

碳化硅（SiC）材料因其在禁带宽度、击穿电场、电子饱和速度等方面的优势,使得SiC MOSFET具有高频、高压以及高温等优势。然而SiC MOSFET的特殊材料、结构以及高开关速度使得开关瞬态过程中器件内部的物理机理更为复杂。传统的SiC MOSFET模型沿用了部分硅（Si）器件的建模方法,难以准确评估器件在装置中的动静态特性。为此,该文提出一种基于物理的SiC MOSFET改进电路模型。基于器件的工作机理,分析传统SiC MOSFET模型的不足,并针对不足进行改进建模。电流扩散方式是影响SiCMOSFET静态特性的重要因素,由于器件N-漂移区较窄,导致漂移区电流扩散呈梯形,进而对漂移区电阻进行改进建模。SiC MOSFET开关瞬态模型刻画了器件的高频应用特性,基于突变结、穿通特性以及负电压关断分别对器件结电容进行改进建模。最后基于CREE 1 200V/325A的SiC MOSFET器件进行实验,仿真与实验具有较好的一致性,验证了改进模型的准确性。     

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。     

SiC MOSFET静态温度特性研究

以实际碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件为对象,首先测试了不同温度下的转移和输出特性,获取了温度对其阈值电压、跨导、导通电阻和内栅极电阻的影响规律,接着基于所得到的温度特性实验结果,建立了SiC MOSFET静态等效电路模型,最后对该模型进行了验证。结果表明,温度对SiC MOSFET静态特性及参数的影响较为明显,所建立的等效电路模型能正确反映SiC MOSFET的静态特性。     

SiC MOSFET与Si IGBT器件温度敏感电参数对比研究

功率半导体器件结温是反映器件健康状态的关键指标。目前被认为具有前景的在线实时结温提取方案是基于器件本身的温度敏感电参数TSEPs(temperature sensitive electrical parameters)法,对于Si IGBT器件温敏电参数的在线实时结温提取方法国内外已有大量文献报道,但对于宽禁带SiC器件研究甚少,且对于不同种温敏电参数的特性差异分析极为必要。因此,提出针对不同温敏电参数在SiC MOSFET和Si IGBT上的对比分析。首先对SiC MOSFET的静态和动态温敏电参数进行理论建模分析获取结温敏感依据,后续通过实验多维度对比分析温敏电参数在SiC MOSFET和Si IGBT的适用性。最后就各温敏电参数的提取电路设计进行分析对比。实验结果表明,通态电阻R_(on)和开通di/dt更适合于SiC MOSFET,而V_(TH)、t_(d-off)和V_(GP)更适合于Si IGBT。     

SiC MOSFET开关损耗模型

相比于硅(Si)功率器件,碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)具有耐高温、耐高压、低导通电阻、快速开关等优势,能够极大提升开关速度、减小损耗。传统封装所引入的寄生电感(特别是共源极寄生电感)及SiC MOSFET自身特性参数的非线性现象对于SiC器件的损耗有待进一步评估。针对上述问题提出一种SiC MOSFET的开关损耗模型,并采用热学方法进行了开关损耗的测试。实验结果验证了该模型的准确性,为SiC MOSFET的电路设计提供指导和帮助。     

SiC MOSFET与SiC SBD换流单元瞬态模型

相较于硅(Si)器件,碳化硅(SiC)器件所具有的高开关速度与低通态电阻特性增加了其瞬态波形的非理想特性与对杂散参数影响的敏感性,对其瞬态建模的精度提出更高的要求。通过功率开关器件瞬态过程的时间分段、机理解耦与参数解耦,突出器件开关特性,弱化物理机理,简化瞬态过程分析,建立基于SiC MOSFET与SiC SBD的换流单元瞬态模型。理论计算结果与实验结果对比表明,该模型能够较为精细地体现SiC MOSFET开关瞬态波形且能够较为准确地计算SiC MOSFET开关损耗。该模型参数可全部由数据手册提取,有较强的实用性。     

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。     

SiC MOSFET特性及其应用的关键技术分析

SiC MOSFET(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)以其优越的特性受到国内外学者的广泛关注,采用SiC器件的变换器能够采用高的开关频率、适应高温工作,实现高的功率密度,在一些应用场合能够代替Si基高频开关器件而显著提高电能变换装置的性能。然而,SiC器件与Si器件存在较大的差异,在实际应用中直接替换使用会存在诸多的问题,例如提高工作频率后产生的桥臂串扰、电磁干扰EMI(electromagnetic interference)等问题。目前已有大量关于SiC MOSFET应用研究的文献,但大部分都是针对SiC MOSFET应用中个别问题的研究,尚缺少对SiC MOSFET应用研究成果的系统性归纳与总结的文献。首先基于对SiC MOSFET与Si MOSFET/IGBT(insulated gate bipolar transistor)的静态、动态特性的对比,总结出SiC MOSFET在实际应用中需要关注的重点特性;然后从SiC MOSFET建模、驱动电路设计、EMI抑制以及拓扑与控制方式的选择等方面对已有的研究成果进行归纳与评述;最后指出了SiC MOSFET在应用中所需要研究解决的关键问题。     

基于SiC MOSFET的两电平交流伺服驱动器主回路损耗研究

分析了交流伺服驱动器主回路在双极性SPWM调制下的损耗组成,并推导了两电平交流伺服驱动器主回路的损耗计算方法。基于推导的损耗算法,对比分析了SiC MOSFET、Si MOSFET和Si IGBT三种功率器件用于交流伺服驱动器主回路时的损耗情况,得出采用SiC MOSFET的交流伺服驱动器主回路损耗更小,在功率器件技术指标和工作温度等条件一致的情况下,采用SiC MOSFET搭建主回路的交流伺服驱动器体积可以做得更小。上述分析计算结果通过仿真和实验进行了进一步验证。     

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。     

不同雪崩冲击模式下SiC MOSFET的失效机理

在高开关速度di/dt和寄生电感的耦合下,SiC MOSFET器件极易进入雪崩工作模式。针对现有单一实验失效分析难以揭示不同雪崩冲击模式可能引起不同失效模式的问题,提出在单次和重复雪崩冲击下SiC MOSFET器件失效机理的实验与仿真研究。首先,搭建SiC MOSFET非钳位电感(unclamped inductive switching,UIS)雪崩实验平台及元胞级仿真模型。其次,基于单次脉冲雪崩冲击实验建立SiC MOSFET对应失效模型,获取单次脉冲下失效演化中元胞电热分布规律。最后,基于重复雪崩冲击失效实验,建立SiC MOSFET对应失效演化模型,仿真性能退化特征参数,获取重复雪崩冲击下失效演化过程的电场分布规律。实验和仿真表明,单次脉冲雪崩冲击下寄生BJT闩锁造成SiC MOSFET器件失效;而氧化层捕获空穴形成氧化层固定电荷会导致器件后期阈值电压降低,引起重复雪崩冲击下器件失效。     

SiC JMOS和SiC DMOS在Si/SiC混合器件单相逆变器中的应用研究

Si IGBT与SiC MOSFET并联组成的Si/SiC混合器件(HyS)因在功率变换器中提供了一种成本与性能的优化折衷而受到广泛关注。其中,SiC MOSFET特性直接影响Si/SiC混合器件的性能,对基于不同类型SiCMOSFET的Si/SiC混合器件的特性差异分析极为必要。该文对比分析基于新型集成结势垒肖特基二极管(JBS)的SiCMOSFET(SiCJMOS)的Si/SiC混合器件(HyS_J)和基于传统平面栅SiCMOSFET的传统Si/SiC混合器件(HyS_D)的特性差异。对比分析2种混合器件的导通特性与开关特性,结果表明,与HyS_D相比,HyS_J具有更低的反向导通压降,更好的反向恢复性能和更小的开通损耗。建立适用于2种混合器件单相逆变器损耗模型,对比分析2种器件在逆变器应用中的损耗差异。设计基于2种混合器件的5kW单相逆变器样机,对比应用2种混合器件的变换器损耗、效率及器件结温。实验结果表明,在轻载条件下,与HyS_D方案相比,HyS_J可以实现最大0.5%的峰值转换效率的提升。     

SiC器件对并网逆变器EMC特性和效率的影响

近年来,宽禁带器件SiC MOSFET在并网逆变器邻域已经取得了越来越多的关注。首先,讨论了SiCMOSFET三相并网逆变器EMC模型的建立,并通过分析噪声源的模型进行等效替代,结合逆变器损耗对于噪声传导路径的阻尼作用,得到了SiC逆变器的EMC仿真模型和理论模型;然后,通过逆变器平台实验的结果与仿真模型和理论模型的结果进行了对比,验证了模型的可行性;最后,通过实验比较了沟道栅SiC逆变器、平面栅SiC逆变器和Si IGBT逆变器3者在相同开关频率下的传导干扰和不同开关频率下的满载效率。     

一种包含物理效应的SiC MOSFET行为模型

建立了一种基于PSpice的碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)行为模型,该模型采用非分段方程拟合器件静态I-U特性和动态C-U特性。通过在模型中引入数学修正项,展现了相关物理效应和温度对器件特性的影响。提出了一种参数提取流程,模型参数提取所用器件测试数据通过SiC MOSFET商用数据手册获得,不需要进行复杂的器件特性测试实验,简化了建模流程。最终通过仿真和双脉冲测试验证了模型的静态和动态特性。结果表明,该模型在预测SiC MOSFET器件行为方面具有足够的精度和效率,为功率变换电路设计提供了一个实用的仿真模型。     

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。     

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。