基于开关瞬态反馈的SiC MOSFET有源驱动电路

受内部寄生参数与结电容的影响,碳化硅(SiC)功率器件在高速开关过程中存在极大的电流电压过冲与高频开关振荡,严重影响了SiC基变换器的运行可靠性。因此,该文首先对SiC MOSFET开关特性进行深入分析,揭示栅极电流与电流电压过冲的数学关系;然后提出一种变栅极电流的新型有源驱动电路;通过对SiC MOSFET开关瞬态的漏极电流变化率d I_d/dt、漏-源极电压变换率d V_ds/dt以及栅极电压V_gs的直接检测与反馈,在开关过程的电流和电压上升阶段对栅极电流进行主动调节,抑制电流电压过冲与振荡;最后在多个工况下对本文所提方案进行实验验证。结果表明,与常规驱动方案相比,该文方法减小了30%～50%的电流电压过冲,有效抑制振荡与电磁干扰,提高了SiC MOSFET变换器的运行可靠性。     

高速SiC MOSFET开关特性的测试方法

为正确地评估高速SiC MOSFET的开关特性,基于双脉冲测试平台对精准的测试方法进行研究。首先,仿真证明电路中寄生电感对SiC MOSFET开关特性的影响,优化设计PCB布局以减小寄生电感,对比PCB布局优化前后的测试结果。其次,对比分析续流二极管的结电容以及负载电感的寄生电容对SiC MOSFET开通特性的影响。然后,对比分析使用不同带宽的非隔离电压探头、不同电压探头地线连接方式、不同电流测试设备对测试结果的影响,并说明电压与电流波形之间相位延迟对开关能量损耗的影响。最后,对比分析不同测试点对测试结果的影响。     

基于动态栅极电阻的SiC MOSFET主动并联均流方法北大核心CSCD

随着当今时代电力电子技术的发展,SiC MOSFET在高频、高温、高压以及大电流等场合中得到广泛应用,然而,由多管并联所导致的不均流问题成为了当下SiC MOSFET模块广泛应用中的一大阻碍。针对这一问题,文中提出一种基于动态栅电阻的SiC MOSFET模块并联均流方法,其主要原理是通过利用SiC MOSFET开关瞬间漏极电流在源极寄生电感上感应出的电压来检测电流,并通过动态调节栅极驱动电阻来实现并联模块的电流同步。最后,通过利用多脉冲实验对文中所提出的均流策略的可行性及优势进行了实验验证。结果表明,动态栅极电压主动并联均流策略可以有效改善并联模块间电流均流问题。     

基于栅极驱动回路的SiC MOSFET开关行为调控

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)与硅绝缘栅双极型晶体管相比,具有更低的开关损耗,更快的开关速度。但是,其高速开关过程对寄生参数非常敏感,容易激发高频振荡和过冲,给器件和电力电子装置的高效、安全运行带来不利影响。针对栅极驱动回路对器件开关行为的作用机理,基于电感钳位双脉冲测试电路,分析了SiC MOSFET开关过程的电路模型,并利用其数学模型分析了SiC MOSFET开关行为的典型特征,分析了不同栅极电阻、栅源电容、栅极驱动电压对开关行为的调控规律。分析发现,这些调控方法在抑制振荡和过冲的同时,会降低器件的响应速度,增加开关损耗。实验结果验证了模型与分析的正确性和有效性,可为SiC MOSFET的应用研究提供有益的支撑。     

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。     

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。     

SiC MOSFET开关特性及多等级栅电压驱动电路

针对新型宽禁带功率半导体器件碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),为了充分发挥其在高功率密度和高效率应用场合中的高速及低功耗特性,分析了SiC MOSFET的开关特性,提出了一种基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的新型多等级栅电压驱动电路(MGD)。在SiC MOSFET开关不同阶段,通过调整栅极驱动电压以改善其开关特性。与传统驱动电路(CGD)相比,提出的MGD在相同门极驱动电阻与栅源极电容前提下,能有效提高开关速度,降低电压电流尖峰、降低开关损耗。最后通过双脉冲实验,分析了栅极驱动电阻,栅源极电容对开关特性的影响,验证了MGD在改善开关特性方面具有明显的优越性。     

一种改进SiC MOSFET开关性能的有源驱动电路

与硅金属氧化物半导体场效应管(silicon metal oxide semiconductor field effect transistor,SiMOSFET)相比,碳化硅(silicon carbide,SiC) MOSFET具有更高的击穿电压,更低的导通电阻,更快的开关速度和更高的工作温度,正被广泛应用于光伏逆变器、电动汽车和风力发电等领域,但是SiC MOSFET的高开关速度会导致器件开关过程中发生电流、电压过冲和振荡,不仅会增加器件的开关损耗,甚至会导致器件损坏。文中首先对SiC MOSFET的开关过程进行详细分析,得出器件开关过程中电流、电压过冲和振荡的产生机理,然后根据影响电流、电压过冲和振荡的关键因数,设计一款有源驱动电路。该电路能够在器件开关的特定阶段内同时增加驱动电阻阻值和减小栅极电流,从而抑制器件开关过程中的电流、电压过冲和振荡。实验结果表明,与传统驱动电路相比,所设计的有源驱动电路能够在不同驱动电阻、负载电流和SiC MOSFET条件下,均有效抑制器件的电流、电压过冲和振荡。     

基于电参数的IGBT开关瞬态过程耦合关系分析

IGBT开关瞬态电流变化过程包括开通电流上升过程和关断电流下降过程,由于功率器件的非线性特征及其与电路参数的紧密耦合,造成瞬态过程电磁现象复杂。重点研究了瞬态过程电压电流参数的耦合规律,分析了耦合关系对IGBT工作特性的影响。首先,分析了IGBT内寄生PIN结构、集射极电压对栅极控制模型的影响。其次,基于栅极控制模型的分析,提出集电极电流的拟合次数应考虑电流变化过程持续时间及计算场景,二次及以下多项式拟合可近似描述集电极电流波形并开展功率损耗分析,但不适于电流变化率和感应电压分析。再次,比较了开通和关断过程计算所得回路寄生电感值的差异,提出了不同过程计算回路寄生电感的适用范围及FWD封装寄生电感的计算方法。最后,分析了瞬态过程栅极电压和集射极电压的耦合关系,提出了通过栅极电压估计集射极电压的状态监测方法并进行了实验验证。     

基于优化对称布局的多芯片SiC模块动态均流

由于开关速度非常快,多芯片并联碳化硅(silicon carbide,SiC)功率模块的电压、电流振荡问题比硅(silicon,Si)器件更加突出,对寄生参数的要求也更高。然而,现有的商业化大功率SiC模块采用多芯片并联模式,大多沿用Si器件的封装技术,寄生参数不仅偏大,且存在明显的不对称性,不能充分发挥SiC器件的优越性能,亟需新的封装结构,以改善模块内的电热应力分布。首先,针对直接覆铜板(direct bonded copper,DBC)寄生电感的计算,提出两种简化计算方法,并将计算结果与有限元进行对比,基于这两种方法进行新型DBC布局的辅助设计,针对几种不同的三芯片并联功率模块,对比研究DBC布局对寄生参数分布、电流分布特性的影响,揭示寄生参数对多芯片并联模块电流分布的影响机理。最后,提出一种物理对称的新型功率模块封装结构,以实现各芯片间的电流均衡。对比分析表明,所提出的新型DBC布局能够显著减小回路之间的寄生参数差异,提升了SiC芯片间的电流分布一致性,有利于提升并联芯片额定电流的使用率,改善模块电–热应力的均衡性。     

IGBT小电流开通失效研究及结构改进

对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在小电流开关测试失效进行了分析研究,对IGBT栅极和集电极的电压电流波形监测发现,IGBT在小电流开通时电压电流波形存在严重的振荡问题,电压幅值超过器件最大额定值,导致器件失效。分析了IGBT芯片电容和栅极电阻对小电流开通振荡的影响,通过对IGBT芯片结构进行改进,将小电流振荡抑制在安全值范围内,解决了IGBT小电流开通失效问题,改进后的IGBT器件性能参数和应用测试温升接近国外竞品。     

1200V/36 A SiC MOSFET短路特性的实验研究

短路能力是衡量功率半导体器件(IGBT、SiC MOSFET等)性能的重要指标,然而SiC MOSFET的短路性能还没有得到充分的研究。为掌握SiC MOSFET在短路工况下的特性,设计一套SiC MOSFET非破坏性短路测试实验平台,从短路脉冲宽度、栅源极电压UGS、栅极电阻RG、漏源极电压UDS、杂散电感LS、壳温度TCASE等方面对1 200 V/36 A SiC MOSFET的短路特性进行全参数实验,综合评估和分析SiC MOSFET器件在不同参数下发生短路的开关瞬态特性。     

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。     

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.     

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。     

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。     

提升桥式电路中SiC MOSFET关断性能和栅极电压稳定性的有源驱动电路研究

碳化硅金属氧化物半导体场效应管(siliconcarbide metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor, SiC MOSFET)以其低开关损耗、高工作频率、高开关速度等优点越来越广泛地应用于各类电力电子变换器。然而,电路中寄生电感的存在、过高的开关频率和速度,会使得SiC MOSFET在关断瞬态产生漏极电压尖峰和振荡,严重情况下可造成雪崩击穿;并且加剧栅极电压的串扰(crosstalk)现象。上述问题不仅对半导体器件的安全运行构成威胁,而且会恶化电力电子变换器的高频电磁干扰问题。为此,文中首先分析SiC MOSFET关断过程瞬态电压尖峰和振荡以及串扰的形成机理,并在此基础上提出一种基于dv/dt检测的提升SiC MOSFET关断性能和栅极电压稳定性的有源驱动电路。该驱动电路通过检测关断过程中漏极电压上升的斜率,在漏极电流下降阶段抬升栅极电压,从而抑制漏极电压尖峰和振荡;在串扰发生阶段构造低阻抗回路来有效抑制栅极的串扰尖峰。实验结果表明,所提有源驱动电路不仅能够有效抑制SiC MOSFET关断过程漏极电压的尖峰和高频振荡,而且能够有效抑制栅...     

MOSFET开关过程的研究及米勒平台振荡的抑制

设计功率MOSFET驱动电路时需重点考虑寄生参数对电路的影响。米勒电容作为MOSFET器件的一项重要参数,在驱动电路的设计时需要重点关注。重点观察了MOSFET的开通和关断过程中栅极电压、漏源极电压和漏源极电流的变化过程,并分析了米勒电容、寄生电感等寄生参数对漏源极电压和漏源极电流的影响。分析了栅极电压在米勒平台附近产生振荡的原因,并提出了抑制措施,对功率MOSFET的驱动设计具有一定的指导意义。     

基于di/dt优化控制的大功率SiC栅极驱动技术

新型SiC半导体功率器件的开关速度快,对线路中的寄生参数敏感度高,在开关过程中会产生较大的电压和电流过冲,从而影响器件的开关性能和安全工作裕度.此处针对SiC器件电压和电流过冲形成的原因,提出了一种基于di/dt优化的有源栅极驱动技术.该技术在传统驱动器的基础上,在栅极分别增加了可控的恒流充电和恒流放电电路,并通过控制开关过程中的充放电时间宽度来调整di/dt的大小,从而减小SiC器件的开关损耗和降低开关过程中的电压和电流过冲,实现SiC器件在安全工作区内的稳定运行.此处首先分析SiC器件在开关过程中di/dt对电压和电流过冲的影响,然后详细介绍了所提栅极驱动技术的原理及其硬件实现方案,最后通过设计实验验证了该技术的可行性.     

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.