SiC MOSFET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)在高频、高压、大功率场合的研究和应用越来越多,能够提升变流器的效率和功率密度,而短路保护技术是SiC MOSFET驱动电路的关键,对变流器的安全可靠工作尤为重要。首先分析总结了SiC MOSFET短路保护电路的特点,结果表明基于检测漏源极电压的短路保护方法更易于工程实现。在此基础上,针对两种漏源极电压保护电路方案,研究了其参数设计方法,分析了不同故障条件下的延迟时间,并进行实验验证。仿真与实验结果表明,漏源极电压检测方法能对SiC MOSFET进行有效保护,采用比较器和基准电压的漏源极电压保护电路更易于设计,在应用中可靠性和稳定性较高。     

SiC MOSFET串联短路动态特性

在电力电子系统中,因器件击穿、硬件电路缺陷或系统控制失误导致碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)误开通时,桥臂电流回路中多个器件处于开通状态,形成串联短路故障.该文以SiC MOSFET半桥电路为研究对象,详细介绍SiC MOSFET串联短路的动态过程,理论分析负载电流、栅极驱动电压和结温温升对SiC MOSFET短路动态特性的影响规律,推导出SiC MOSFET分压模型,并采用仿真模型进行验证.实验基于1200V/80A SiC MOSFET测试平台验证电路参数对短路损耗和结温分布的影响.理论与实验结果表明,SiC MOSFET串联短路分压特性对电路参数具有较高敏感度,漏极电压与漏极电流不平衡动态变化会改变器件短路损耗,进而影响结温温升,造成串联短路SiC MOSFET不稳定变化.     

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,然后基于源极电感检测法设计一款SiC MOSFET短路保护电路并简要分析其工作原理,最后搭建实验平台进行实验验证.实验结果表明,所设计的短路保护电路结构简单,当SiC MOSFET发生硬开关短路故障或负载短路故障时,保护电路能够在故障发生的1μs内关断器件,保证器件的安全运行.     

基于通态漏源电压的SiC MOSFET结温估计方法

以通态漏源电压为热敏感电参数(TSEP)来估计碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)模块的结温。首先,将SiC MOSFET模块的通态漏源电阻分为芯片通态漏源电阻和封装电路电阻两部分。当漏极电流在导通电路中流过时,相应产生芯片通态漏源电压降和封装电路电压降,从而得到SiC MOSFET模块的通态漏源电压降的测量及计算方法。其次,分析SiC MOSFET模块的芯片通态漏源电阻和封装电路电阻的温度特性,并得到整个模块通态漏源电阻的温度特性。最后,提取SiC MOSFET模块的通态漏源电阻、芯片通态漏源电阻和封装电路电阻,利用芯片通态漏源电压降和封装电路电压降的温度特性关系得到SiC MOSFET模块通态漏源电压解析模型,该方法可以实现实时监测结温的目的。理论和实验结果证明了该方法的可行性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

包含SiC/SiO_2界面电荷的SiC MOSFET的SPICE模型

建立碳化硅(silicon carbide,SiC)金属–氧化物–半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor, MOSFET)的通用模拟电路仿真器(simulation program with integrated circuit emphasis,SPICE)模型。模型采用三段电流表达式分别描述SiC MOSFET工作在截止区、线性区和饱和区,引入SiCMOSFET的漏极和源极之间的泄漏电流及栅极氧化层的泄漏电流,并采用包含SiC/Si O2界面电荷的迁移率模型描述沟道载流子在不同温度范围内的行为表现,建立电–热网络模型模拟SiC MOSFET在开关状态和高电应力下的自热效应。开关电路和短路实验验证了所建立的SiC MOSFET的SPICE模型的准确性。应用所建立的SPICE模型讨论不同密度的SiC/SiO2界面电荷对SiC MOSFET的开关特性及短路失效的影响。结果表明,高密度的界面电荷一方面能够延迟SiCMOSFET的导通并增加通态电阻,导致SiCMOSFET的开关损耗增加,另一方面能够降低SiCMOSFET在短路环境下的饱和电流,并延迟SiC MOSFET的失效。     

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。     

SiC MOSFET短路特性及过流保护研究

为了提高电力电子装置中SiC MOSFET可靠性,对SiC MOSFET短路特性和过流保护进行研究。首先在不同的母线电压和环境温度下,对处于短路状态的SiC MOSFET的电流IDS和导通压降V₍DS(ON))进行测量和分析,在此基础上设计基于V₍DS(ON))检测的过流保护电路,比较两种消隐电路对保护的影响,实验证明,在消隐电路工作时,较大的充电电流可有效缩短保护时间,但电路功率消耗较大。针对半桥直通短路,根据SiC MOSFET的工作特性,提出一种基于门极电压V_GS检测的直通短路保护方法,将半桥两只SiC MOSFET的V_GS电压于门极阈值电压比较,如果同时超过阈值电压,可判断发生直通短路,实验表明,提出的保护方法具有保护时间快,短路电流小的特点,与V₍DS(ON))检测的过流保护电路配合,可以有效地保护SiC MOSFET。     

半桥结构中的SiC MOSFET串扰电压建模研究

SiC MOSFET凭借着低开关损耗、高工作频率与高工作温度点等优点,逐渐在高效率、高功率密度与高温的应用场合取代传统的硅功率器件。然而,在高速开关中带来的栅极串扰现象严重制约SiC器件的开关速度。传统的串扰抑制方法重点关注由栅极–漏极寄生电容引入的干扰电压,往往通过减小驱动回路阻抗的方式来降低串扰电压。该文基于SiC MOSFET器件的开关模态,提出考虑共源电感的分段线性化串扰电压模型。该模型基于器件数据手册及双脉冲实验提取的参数,考虑栅极–漏极电容、共源电感、体二极管反向恢复等非理想因素的影响。对比不同电压点、电流点与电阻值下实验与模型的输出结果。该模型表明,串扰电压是由器件栅极–漏极电容、共源电感与驱动回路阻抗共同作用的结果。单一降低驱动回路阻抗的方式对串扰电压的抑制效果有限。基于提出的模型,该文给出串扰电压抑制的指导方法,可直接用于SiC MOSFET驱动电路的设计。     

SiC MOSFET短路失效与退化机理研究综述及展望

SiC MOSFET可以大幅提升变流器的效率和功率密度,在高频、高温、高压等领域有较好的应用前景。但是,由于其短路耐受时间短、特性退化现象严重以及失效机理模糊等因素,致使SiC MOSFET的普及应用受到了限制。因此,探究SiC MOSFET短路失效与特性退化的机理,可以为SiC MOSFET器件的应用及其保护电路的设计提供指导,具有重要的研究价值。该文首先归纳SiC MOSFET的短路故障类型,并针对其中一种典型的短路故障进行详细的特性分析。在此基础上,论述SiC MOSFET单次短路故障后存在的两种典型失效模式,综述其在两种失效模式下的失效机理以及影响因素。其次,对SiC MOSFET经历重复短路应力后器件特性退化机理的研究现状进行系统的总结。最后指出当前SiC MOSFET短路失效与特性退化的研究难点,展望SiC MOSFET短路特性研究的发展趋势。     

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。     

一种提高SiC MOSFET在高开关速率下栅极电压稳定性的驱动电路

高开关速率且栅极电压稳定的驱动是SiC MOSFET高频工作、进而实现功率变换系统小型化和轻量化的关键技术之一.针对如何在高开关速率下稳定驱动SiC MOSFET,并实现可靠的短路保护,根据栅源电压干扰的传导特点,基于辅助器件的跨导增益构建负反馈控制回路,提出一种SiC MOSFET栅极驱动,进而研究揭示该驱动的短路保...     

碳化硅器件的短路保护：设计准则和电路

为了保障碳化硅(silicon carbide,Si C)在发生短路故障时可安全可靠的关断,需在掌握其短路特性基本规律的前提下,针对Si C短路耐受时间较短、短路下器件漏源极电压拐点不明显等特征,展开去饱和保护电路(desaturation fault protection,DESAT)电路中关键参数的研究,并制定其工程化设计的参考标准。在此基础上,文中进一步提出基于氮化镓(galliumnitride,GaN)的高速、低传输延时的DESAT短路保护电路,短路保护电路的驱动动作延时仅为常规基于硅器件DESAT电路的23.2%。所提出的氮化镓DESAT电路为SiC MOSFET短路保护电路的更优越的实现方案。     

SiC MOSFET短路特性评估及其温度依赖性模型

SiC MOSFET可以大幅提升变流器的效率和功率密度,具有重要的应用前景。但是,一旦负荷侧或直流侧发生短路,以及串扰引起的误导通,都会导致上下桥臂直通。因此,评估SiC MOSFET器件的短路耐受能力,研究直流母线电压和环境温度对短路耐受时间、临界短路能量的影响规律,可给SiC MOSFET器件的应用及其保护电路的设计提供指导,具有重要的研究价值。该文首先详细阐述SiC MOSFET硬开关短路过程的机理,随后搭建相应的测试平台,并选取两种额定电压、电流相近的商业化SiC MOSFET器件,在不同直流母线电压和环境温度条件下,评估短路电流的特性。实验结果表明,随着直流母线电压的增加或环境温度的升高,短路耐受时间降低;临界短路能量随着温度的升高而降低,但受直流母线电压的影响较小。基于器件的物理结构和Spice模型,建立不同尺度的热网络模型,根据实验数据计算短路过程的损耗,并输入到具体的热网络中,得到短路过程芯片的层间温度分布,热仿真结果表明芯片在结温800℃左右发生热击穿,这一失效温度对应的短路耐受时间和实验结果基本吻合。     

SiC MOSFET及Si IGBT串联短路动态特性研究

针对因器件击穿、控制失效等问题导致的串联短路现象,基于半桥结构分析了SiC MOSFET及Si IGBT不同的串联短路动态分压特性。同时,结合开关过程中电压、电流的变化分析串联短路分压原理,并在输出特性曲线上标注器件的分压路径。实验结果表明,驱动电压、负载电流、母线电压等外部驱动参数对两种器件串联短路分压特性的影响不同,其中反向负载电流改变了串联短路的分压趋势且对串联短路特性影响最大。充分认识器件的串联短路机理对改进短路保护具有现实意义。     

共源极电感对SiC MOSFET开关损耗影响的研究

共源极电感同时存在于功率MOSFET的功率回路和门极驱动回路中,影响器件的开关特性和开关损耗。共源极电感的影响将随着器件开关速度和开关频率的提高而显得更为严重。碳化硅(SiC)MOSFET相对于硅器件的材料优势使其可以实现更快速的开关过程,共源极电感的影响更加需要考虑。首先分析了现有功率开关损耗测量方法的优劣,然后选用一种通过测量结温升和热阻的方法来测量SiC MOSFET的开关损耗,最后搭建了一台输出功率1kW、输出电压800V的全碳化硅Boost样机,从100kHz到500kHz进行实验验证。实验结果表明,当不含共源极电感时SiC MOSFET的开通损耗、关断损耗均有所减小。