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.     

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...     

针对碳化硅器件的高频逆变器缓冲电路设计

由于大功率、高频高温等运行环境的需求,碳化硅(SiC)器件成为新一代半导体器件的代表,但其尖峰问题一直制约着这一新型器件的发展。以SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)为研究对象,着重从逆变器中运用SiC器件的方面来进行尖峰问题的研究,分析了SiC MOSFET在开关过程中产生尖峰和振荡的原因,通过增加RC缓冲电路的方法对SiC的尖峰和振荡问题进行优化,结果证明RC缓冲电路可以降低SiC器件产生的尖峰和振荡。通过多组实验进行数据曲线的拟合,确定了RC缓冲电路中缓冲电容与缓冲电阻的关系表达式。     

一种新型低压直流碳化硅固态断路器

随着直流微电网的发展,直流断路器作为其主要保护装置而受到高度关注。结合第三代宽禁带半导体器件的优势,提出了一种新型低压直流碳化硅(Silicon Carbide, SiC)固态断路器(Solid-State Circuit Breaker, SSCB)拓扑,该SSCB主开关采用常通型SiC JFET器件,用于切断主电路中的故障电流。辅助旁路由SiC MOSFET器件、RC缓冲电路和压敏电阻(MOV)组成,用于辅助泄放回路中的过电流来提高直流系统的安全性与稳定性。首先介绍了该SSCB的拓扑结构,其次根据低压直流系统在短路故障、冲击电流和过流故障时不同的故障特性,分析了该SSCB在不同故障条件下工作原理及保护控制方法,最后通过ORCAD/Pspice仿真模型,验证了所提SSCB设计方法的可行性。     

阻抗源逆变器缓冲电路分析与设计

对于功率较大的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)装置,线路寄生电感较大,IGBT关断时的电压变化率和过冲电压很容易损坏功率器件。抑制过冲电压,除了采用低感母排减小寄生电感外,还需要缓冲电路。通过分析阻抗源逆变器工作特性,针对线路杂散电感会造成直通和非直通转换时存在电压尖峰的问题,提出一种适用于阻抗源逆变器的缓冲电路,该电路有效抑制了IGBT关断时的电压变化率和过冲电压,大大减小了母线电压尖峰,提高了变换效率。仿真和实验波形证实了缓冲电路的可行性。     

100kHz低频功放SiC MOSFET串扰分析与驱动设计

针对碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在100 kHz低频(LF)功放应用中出现的串扰问题,考虑SiC MOSFET寄生参数分阶段研究串扰过程,分析关键参数对串扰电压尖峰的影响,从而提出降低串扰尖峰的若干思路。为抑制串扰现象,采用无源抑制方法进行驱动设计,该驱动设计简单可靠,具有较高工程应用价值。最后,进行驱动对比实验,采用所提驱动设计对串扰的抑制效果显著,正、负向串扰电压尖峰比基本驱动电路分别降低73%和70%。     

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。     

桥式电路中不同封装SiC MOSFET串扰问题分析及低栅极关断阻抗的驱动电路

由于SiC MOSFET开关速度较快,使得桥式电路中串扰问题更加严重,这样不仅限制了SiC MOSFET开关速度的提升,也会降低电力电子装置的可靠性。针对SiC MOSFET的非开尔文结构封装和开尔文结构封装的串扰问题分别进行分析,栅漏极结电容的充放电电流和共源寄生电感电压均会引起处于关断状态开关管的栅源极电压变化。提出一种用于抑制串扰问题的驱动电路,该驱动电路具有栅极关断阻抗低、结构简单、易于控制的特点。分析该驱动电路的工作原理,提供主要参数的计算方法。最后通过实验测试了两种结构封装SiC MOSFET的串扰问题,并且对提出的驱动电路进行了实验,验证了其正确性以及对串扰问题的抑制效果。     

SiC MOSFET体二极管反向恢复特性研究

详细分析了新型功率器件SiC MOSFET的结构特点及其寄生体二极管的反向恢复机理,推导了反向恢复过程的电压与电流计算;同时,搭建了双脉冲实验测试平台,通过实验和仿真的方法,测试了不同关断电压、正向导通电流和串联寄生电感这些最常见的外部因素对SiC MOSFET寄生体二极管反向恢复特性的影响;此外,对比测试了同电压等级的SiC MOSFET、Si MOSFET寄生体二极管和快恢复二极管的反向恢复性能。相关结果表明SiC MOSFET寄生体二极管可以作为变换器中的续流通道而不必额外再单独反并联快恢复二极管,对实际工程应用有一定的借鉴意义。     

抑制瞬态电压电流尖峰和振荡的电流注入型SiC MOSFET有源驱动方法研究

为了满足电力电子系统高频、高效和高功率密度的需求,碳化硅金属氧化物半导体场效应管(silicon carbide metal oxide semiconductor field effect transistor,SiC MOSFET)越来越广泛地应用于各类电力电子变换器。其开关过程中存在瞬态电压电流尖峰和高频振荡,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电磁兼容性。该文针对SiCMOSFET开关过程中存在的瞬态电压电流尖峰和振荡的问题,分析SiCMOSFET开关过程及瞬态电压电流尖峰和振荡产生机理,并在此基础上提出一种电流注入型有源驱动电路。该有源驱动电路通过在SiCMOSFET开通过程的电流上升阶段向栅极注入反向电流,在关断过程的电流下降阶段向栅极注入正向电流,以达到抑制开关过程瞬态电压电流尖峰和振荡的目的。实验结果表明,提出的有源驱动电路能够有效抑制SiCMOSFET开关过程瞬态电压电流的尖峰和高频振荡,从而从源头上改善了电力电子变换器的电磁兼容。     

基于驱动电流动态调节的低过冲低损耗SiC MOSFET有源门极驱动

与硅基功率器件相比,碳化硅(silicon carbide,SiC)MOSFET具有开关速度更快、导通损耗更低等优点,将越来越广泛的应用于高效高功率密度场合。但是,其开关特性对寄生参数非常敏感,在高速开关过程中极易产生瞬态电压电流尖峰和高频开关振荡,严重威胁Si C基变换器的可靠运行。针对这一问题,文中对SiC MOSFET的开关暂态过程进行深入分析,揭示门极驱动电流对开关过程电压电流过冲、振荡与开关损耗的影响机理。在此基础上,提出一种驱动电流分段动态调节的SiC MOSFET有源门极驱动电路,即根据开关过程不同阶段的状态反馈动态调整器件门极驱动电流。实验结果表明,所提出的方法能够在维持低开关损耗的同时,实现了对SiC MOSFET开关过程中电压电流过冲和高频振荡的有效抑制,提升SiC基电力电子装置的动态性能与运行可靠性。     

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。     

SiC MOSFET磁集成开关电感软开关逆变器研究

采用宽禁带半导体器件和软开关技术可显著改善逆变器效率和功率密度。提出采用碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的新型磁集成软开关逆变拓扑。重点研究SiC MOSFET零电压开关(ZVS)关断损耗,通过深入探讨SiC MOSFET寄生电容对ZVS实现的影响及等效寄生电容的提取方法,并构建开关电感磁集成动态损耗模型,优化SiC MOSFETZVS的条件,修正器件电压、电流应力公式,获得了更高效的电路设计参数。最后通过一台20 kW SiC MOSFET磁集成开关电感软开关逆变器实验样机证明了理论分析的正确性。     

移相全桥变换器RC缓冲电路优化研究分析

移相全桥(PSFB)变换器在整流二极管关断时,其并联电容与谐振电感发生谐振,导致变压器次级电压出现较大的振荡尖峰,一般通过设置RC缓冲电路得以抑制.这里通过建立PSFB变换器的等效电路模型,揭示了RC缓冲电路对电压振荡的影响机理及对电阻功率损耗的影响规律.通过对电压振荡峰值及缓冲电阻功率损耗的折中考虑,给出了RC参数的...     

基于常通型碳化硅JFET的自供电固态断路器

提出了一种新型的自供电固态断路器,该断路器采用常通型碳化硅(SiC)结型场效应晶体管(JFET)作为主开关,正常工作时无需外加驱动电压,采用无需额外电源供电的自激式反激变换器探测短路故障信号,并在较短的时间内输出与输入电压极性相反的电压驱使常通型SiC JFET关断。分析了自供电固态断路器的工作原理,利用电路仿真软件验证了所提自供电固态断路器的有效性。采用10只SiC JFET并联作为断路器的主开关,在没有电流转移和能量吸收支路的情况下,当直流偏置电压为200 V,实验验证了所组建的自供电固态断路器开断了960 A的短路故障电流。     

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。     

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.     

基于级联常通型SiC JFET的快速中压直流固态断路器设计及实验验证

固态断路器(solid state circuit breaker, SSCB)是直流配电网中实现快速、无弧隔离直流故障的关键保护装置。首先提出了一种基于级联常通型碳化硅(silicon carbide, SiC)结型场效应晶体管(junction field effect transistor, JFET)的新型中压直流SSCB拓扑,直流故障发生时利用金属氧化物压敏电阻(metal oxide varistor, MOV)向SSCB主开关级联常通型SiC JFET器件的栅源极提供驱动电压,可快速实现直流故障保护。其次详细分析了SSCB关断和开通过程的运行特性,并提出了SSCB驱动电路关键参数设计方法。最后研制了基于3个级联常通型SiC JFET器件的1.5 kV/63 A中压SSCB样机,通过短路故障、故障恢复实验验证了设计方法的有效性。结果表明该SSCB关断250 A短路电流的响应时间约为20 s,故障恢复导通响应时间约为12 s,为中压直流SSCB的拓扑优化设计和级联常通型SiC JFET器件的动静态电压均衡性能提升提供了支撑。     

三段式门极驱动抑制MOSFET关断过冲振荡的研究

针对电机等感性负载电路中,金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconduc-tor field effect transistor,MOSFET)关断瞬间容易产生高幅值的高频电压振荡,不仅增加了系统的电压应力,还为系统带来严重的电磁干扰的问题,对MOSFET的关断行为进行研究,通过分析低侧功率驱动电路中门极电压对MOSFET关断过程的影响,推导出了关断过冲电压随门极电压变化的关系式;基于分析提出了闭环的三段式门极电压控制方法,并设计了电路,电路在漏极电压首次超过母线电压的瞬间,自动生成一段辅助电平信号,并施加至门极,用以抑制电压过冲和振荡。分析及实验结果表明,该电路简单、灵活、动态响应迅速,可以非常有效的抑制高幅值的高频电压振荡。     

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。