SiC MOSFET模块结温监测研究

碳化硅金属氧化物半导体场效应管SiC MOSFET(silicon carbide metal oxide semiconductor field effect tra-nsistor)以其优异的材料特性成为一种很有前景的高功率密度和高效率器件,而结温是其设计和工作的一个重要参数,也是健康状态的重要指标.为了状态监控的...     

改善SiC MOSFET开关特性的有源驱动电路研究

针对碳化硅金属氧化物半导体场效应管(SiC MOSFET)开关过程中存在的电流、电压过冲和振荡问题,首先对SiC MOSFET的开关过程进行详细分析,得出电流、电压过冲和震荡的产生机理,然后根据影响过冲和振荡的关键因素,分别提出了电流注入型、变电压型和变电阻型有源驱动电路,并通过LTspice仿真软件验证了所提有源驱动...     

基于UsS的SiC MOSFET模块键合线状态监测方法

针对大功率碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)模块内部键合线健康问题,分析了键合线发生老化和失效的根本原因,讨论了键合线寄生阻抗及其变化对模块内部电流分布的影响,给出了稳态工况下电流分布的数学模型。最后,提出了一种基于关断瞬态辅助源极s与功率源极S间感应电压的键合线健康状态监测方法,搭建了模块老化的实验平台。实验结果表明,感应电压随着键合线老化而逐渐增大,当发生芯片级失效时,感应电压的变化较为明显,验证了所提方法的正确性。     

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...     

6.5kV高压全SiC功率MOSFET模块研制

该文报道6.5kV、25A及100A两款全碳化硅(silicon carbide,SiC)功率金属场效应晶体管(metal oxide field-effect transistor,MOSFET)模块制备及测试结果。两款模块所采用的6.5kV SiC MOSFET及SiC肖特基二极管芯片均采用自主研制的高压SiC芯片,充分显示了在SiC材料外延、器件制备及模块封装领域国产化方面的巨大进展。该文报道6.5kV、25A和100A两款模块动静态性能表征结果,并与国际研究报道水平做对比分析。室温下,两款模块导通能力分别大于25A和100A;栅源短接,在漏极电压6.5kV时,模块漏电流分别为2.0μA和8.77μA。对6.5kV、25A模块动态参数、开关波形进行测试,以表征单管芯MOSFET动态性能特性。在工作电压3.6kV、导通电流25A下,对模块进行动态测试,结果表明,SiC MOSFET具有快速的开关特性,其中开通时间(开通损耗)和关断时间(关断损耗)分别为140ns(12.3m J)和84ns(1.31m J)。测试结果表明,研制的全SiC模块具有优越的动静态性能,相对传统硅6.5kV...     

一种SiC MOSFET快速短路保护电路研究

碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)具有工作频率高、耐温高、临界击穿场强高和寄生参数小等特点,广泛应用于高功率密度和高开关频率场合。首先总结分析了各种短路过流检测方法,然后基于分流器检测法设计了一款SiC MOSFET短路保护电路,最后简要分析其工作原理,并进行实验验证。实验结果表明,所设计的SiC MOSFET短路保护电路,能在发生短路的1μs内完成保护动作,确保器件的安全运行。     

6500V SiC MOSFET模块测试与分析

碳化硅器件在高压、高频、高温、大功率、低损耗及抗辐射等方面均比硅基器件拥有巨大优势,可以极大提升电力电子系统的功率、效率、体积及重量等性能指标,在高压输变电、新能源汽车、航空航天、造舰航海等领域具有巨大的应用前景。其电气特性中的动静态特性及高温可靠性作为表征碳化硅功率金属场效应晶体管(metal oxide field-effect transistor,MOSFET)模块性能的必要参数是首先需要分析的环节。然而目前国内对于高压大功率碳化硅MOSFET模块的动静态及高温可靠性参数的测试分析较为贫乏。动静态参数测试是筛选功率模块性能是否达标的必备步骤,可靠性测试是验证模块处于长期高温环境中的极端工作性能,这些测试结果将是反馈优化器件设计和模块封装性能的重要基础,同时对于推动碳化硅功率MOSFET模块的发展和应用具有十分必要的意义。文中旨在较项目组前期4寸碳化硅晶圆制备的芯片封装而成的同等电压等级的碳化硅模块研究的基础上,选取优化芯片设计并在6寸碳化硅衬底上制备而成的碳化硅器件,封装成6500V/50A碳化硅MOSFET模块,并对其进行动静态及高温可靠性测试与分析,验证芯片设计、集成与封装...     

基于SiC MOSFET的新型直线变压器驱动源设计

采用新一代半导体开关器件碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),通过新型平面式布局升压技术和优化同步触发电路,设计出一种可获得快上升沿、短脉冲的直线变压器驱动源(LTD)。该驱动源由8级LTD串联而成。此处在阐明LTD工作原理的基础上,详细分析LTD主电路参数的设计,以及8级串联结构的设计,并结合Pspice软件仿真与具体实验,充分验证了该驱动源设计的可行性。实验结果表明,该驱动源在200Ω负载上,可获得峰值电压约3.8 kV,上升沿约25 ns,下降沿约30 ns,整个脉冲宽度约100 ns输出,并实现在一定范围内输出脉宽可调。     

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。     

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。     

基于SiC MOSFET的水下高速电机转矩脉动抑制研究

水下航行器高速电机具有高速、大功率、多挡位可调等特点,为了减小水下航行器有限空间内的高速无刷直流电机(BLDCM)转矩脉动,分析了水下航行器高速电机对高开关频率的需求,对BLDCM转矩脉动进行了数学分析,得到BLDCM的转矩脉动与开关频率及占空比等的关系。利用SiC MOSFET开关频率高的特点来提高逆变器开关频率,从而降低高速电机转矩脉动,同时SiC MOSFET又有开关损耗小的优点,与使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)相比,SiC MOSFET在提高开关频率的同时可以减少开关损耗。最后通过仿真和试验验证了SiC MOSFET在较高开关频率时对高速BLDCM转矩脉动抑制的效果,为宽禁带半导体器件在水下航行器高速BLDCM的应用提供参考。     

基于SiC MOSFET的高速永磁同步电机驱动系统

碳化硅（SiC）材料新一代宽禁带（WBG）功率器件具有阻断电压高、通态电阻低、开关损耗小、耐高温等优异的性能，在电机驱动系统中具有广泛的应用潜力。本文将SiC MOSFET应用于燃油泵高速永磁同步电机系统中，降低系统散热体积，提高功率密度。为提高电流环动态响应，通过优化电流采样时刻对电流环进行了改进，实验结果表明系统获得了良好的性能，并扩宽了电流环带宽。     

SiC超结MOSFET的短路特性研究

SiC超结MOSFET设计基于N/P柱的电荷补偿效应,在保证耐压的同时具有较低的导通损耗和更快的开关速度,因此对SiC超结MOSFET可靠性的分析研究有助于深入理解器件工作机理,为更好地应用提供必要的理论支撑。基于TCAD Sentaurus模拟软件,对1 200 V电压等级的传统SiC MOSFET结构和SiC超结MOSFET结构进行建模。首先对比了2种器件的基本电学参数,然后重点分析了短路特性差异,在相同短路条件下对器件内部的物理机理进行了分析。结果表明SiC超结MOSFET可以有效地提高器件的击穿电压和导通电阻,同时表现出更好的短路可靠性。进一步分析了不同的偏置电压下SiC超结MOSFET的短路特性,结果表明,随着外部施加偏置电压增加,器件的短路耐受时间减小,同时短路饱和电流也会相应增大。     

耐高温变换器研究进展及综述

耐高温变换器在多电飞机、电动汽车和石油钻井等恶劣环境中具有十分重要的应用价值。碳化硅功率器件具有高结温工作能力、较低损耗以及良好的温度稳定性,有利于实现耐高温变换器。首先简要阐述了耐高温变换器的应用领域和SiC基耐高温变换器各组成部分的技术发展现状,再介绍了SiC基耐高温变换器应用实例,最后探讨了SiC基耐高温变换器的关键问题和发展前景。     

基于碳化硅MOSFET的99.2%高效率功率因数校正器

半桥功率因数校正PFC(power factor correction)拓扑由于其具有较少的电流回路器件数,因而导通损耗小、效率高。但是,该拓扑中开关器件电压应力大,因此如果选用高压的IGBT作为开关器件,则开关损耗很大。新型的碳化硅MOSFET由于兼顾了高耐压与低通态电阻,其具有较小的开关损耗,可以降低开关损耗,尤其是关断损耗。但由于高频工作时其开通损耗仍然较大,严重制约变换器效率的提高。因此,利用碳化硅MOSFET优良的开关特性,采用电感电流三角波模式(TCM)的控制方式,使器件工作在零电压开通状态下,进一步降低开关损耗。针对这种控制方式,详细叙述了各个关键参数的计算,并设计搭建了一台1 100 W的全碳化硅半桥功率因数校正变换器,其达到了较高的效率,峰值效率达到了99.2%。     

SiC MOSFET静态性能及参数温度依赖性的实验分析及与Si IGBT的对比

碳化硅SiC(silicon carbide)MOSFET作为新型的电力电子器件,具有不同于Si IGBT的电热特性,且其静态特性在宽温度范围内变化特性并不明确。以Si C MOSFET为研究对象,从器件的工作原理入手,结合Si IGBT对比,分析了其静态特性及寄生参数受温度的影响,并在-55℃至165℃准确测量了包括阈值电压、导通电阻、泄漏电流、输出特性及寄生参数在内的多个参数,实验结果符合理论分析。根据实验结果分析了各项性能参数的温度敏感性,结果表明:Si C MOSFET静态性能及参数与温度具有极强的相关性;与Si IGBT相比,温度依赖性更为明显,并且能够为器件结温测量及Si C MOSFET电力电子系统状态监测提供理论依据与实验基础。     

功率MOSFET的高温特性及其安全工作区分析

简述了功率MOSFET的结构特点及工作原理,从理论上分析了温度对阈值电压、跨导、导通电阻、漏极饱和电流及击穿电压等关键参数的影响.采用ISE软件模拟了不同温度下器件的导通特性和阻断特性,给出了这些参数随温度变化的曲线.最后,分析了温度对功率MOSFET安全工作区的影响,为功率MOSFET的设计和使用提供了参考.