考虑温度影响的SiC MOSFET动态性能分析与优化

SiC器件的高开关速度使其瞬态过程的非理想特性大为增加,对杂散参数也更为敏感,容易激发高频振荡和过冲.为充分发挥其高开关速度优势,提升系统控制性能,首先,建立SiC MOSFET开关瞬态解析模型,提取了开关过程的关键动态性能参数电流变化率(di/dt)和电压变化率(dv/dt);其次,通过理论分析,明确了di/dt和dv/dt的关键影响因子为驱动电阻、栅源电容、栅漏电容和温度.然后,在Simplorer软件中搭建双脉冲测试电路,定量分析了不同驱动参数和温度对di/dt和dv/dt的影响规律.结果 表明:驱动参数对di/dt和dv/dt具有不同的控制效果,并且di/dt和dv/dt在开通、关断过程分别体现正温度特性和负温度特性.最后,以150℃环境为例,通过减小关断电阻补偿温度影响,实现了在不增大电应力的前提下,关断损耗降低了8.37％.     

基于大功率逆变器IGBT开关瞬态电压、电流波形的杂散参数抽取方法

由于线路杂散电感的存在,IGBT（insulated gate bipolar transistor）开通关断时将在开关管两端产生电压尖峰。为了研究其的影响,需要对线路杂散电感进行抽取。为此,本文提出一种基于IGBT开关瞬态电压、电流波形的杂散参数抽取方法。在IGBT的开通过程中,考虑了IGBT反并联二极管的反向恢复过程,井且利刖加该过程引起电压尖峰进行线路的杂散电感的抽取;在IGBT的关断过程中,通过对关断波形进行了更详细的分析,给出更精确的线路杂散电感的抽取方法。最后,将该方法应用于一台75kVA的单相逆变器;实验结果证明了本方法的有效性与正确性。     

基于漏极导通区特性理解MOSFET开关过程

本文先介绍了基于功率MOSFET的栅极电荷特性的开关过程;然后介绍了一种更直观明析的理解功率MOSFET开关过程的方法:基于功率MOSFET的导通区特性的开关过程,并详细阐述了其开关过程.开关过程中,功率MOSFET动态的经过是关断区、恒流区和可变电阻区的过程.在跨越恒流区时,功率MOSFET漏极的电流和栅极电压以跨导为正比例系列,线性增加.米勒平台区对应着最大的负载电流.可变电阻区功率MOSFET漏极减小到额定的值.     

栅极电阻对GaN MOSFET瞬态特性的影响研究

为了研究栅极电阻对GaN MOSFET的开关速率和输出特性中出现振荡的影响,首先利用MOSFET的基本公式对其导通和关断时的输出瞬态电流进行了理论推导,然后通过实验平台测试GaN MOSFET的瞬态电流值,且与理论值对比,验证栅极电阻带来的影响。实验结果表明,GaN MOSFET的瞬态电流值实验值与理论值基本吻合,在导通和关断时,GaN MOSFET的输出瞬态电流和输出电流的高频震荡均随栅极电阻的增加而减小。栅极电阻从10 Ω变化到100 Ω时,导通时开关速率上升率占总开关速率上升率的84.7%,关断时开关速率下降率占总开关速率下降率的54.06%。在栅极电阻为10~100 Ω范围内,GaN MOSFET具有较快的开关速度。     

SiC MOSFET特性分析及应用

碳化硅MOSFET因其材料的特殊性,适合高压、高频和高功率密度场合。该文设计一种碳化硅MOSFET的驱动电路,通过软件PSpice对碳化硅MOSFET以及碳化硅肖特基二极管的开关特性进行仿真研究,并设计RC缓冲电路解决开关的尖峰震荡问题。搭建硬件实验电路,在Buck电路中针对碳化硅MOSFET和Si IGBT在不同负载和占空比下进行电路效率分析。实验结果表明碳化硅MOSFET开关速度快、开关损耗小以及驱动电阻小。碳化硅肖特基二极管无反向恢复特性,适合高频下工作。RC缓冲电路能有效抑制开关产生的尖峰和震荡,在Buck电路中碳化硅MOSFET比Si IGBT在不同负载和占空比下效率要高。     

单芯片高电压双开关正激DC／DC稳压器

LM5015内置一个高端及一个低端的75V N通道MOSFET,峰值限流值则不超过1A。由于采用双开关电路布局,因此MOSFET之间的电压会与输入电压锁定一起,令输入电压范围接近MOSFET的额定电压。其采用电流控制模式,可以方便的提供环路补偿及线路前馈功能,有效的抑制输入瞬态。     

优化SiC MOSFET的栅极驱动

<正>在高压开关电源应用中,相较传统的硅MOSFET和IGBT,碳化硅（以下简称“SiC”）MOSFET有明显的优势。使用硅MOSFET可以实现高频（数百千赫兹）开关,但它们不能用于非常高的电压（>1000V）。而IGBT虽然可以在高压下使用,但其“拖尾电流“和缓慢的关断使其仅限于低频开关应用。SiCMOSFET则两全其美,可实现在高压下的高频开关。然而,SiCMOSFET的独特器件特性意味着它们对栅极驱动电路有特殊的要求。了解这些特性后,设计人员就可以选择能够提高器件可靠性和整体开关性能的栅极驱动器。在这篇文章中,     

构成大功率反相-5V电源的降压型稳压器

将降压型开关转换器IC配置成反相器,便可获得一个高效大功率-5V电源,其输出电流在输入电压为12V时高达4.5A,在输入电压为5V时为3.2A(图1).常见的反相电源用一个D沟道MOSFET进行开关切换(图2).这种电路配置在输出电流很小时能运转正常,但在输出电流超过2A左右时,其使用受到限制,这要视输入、输出电压电平和你使用的MOSFET而定.     

SiC MOSFET驱动与保护电路设计

介绍了SiC MOSFET驱动电路的设计要求,基于ACPL-355JC光耦驱动模块设计了SiC MOSFET驱动和保护电路。该电路具有驱动能力强、响应迅速和多种保护等优势。另外,针对SiC MOSFET开关过程中存在的瞬态电压尖峰和振荡问题,分析了SiC MOSFET开关过程中产生过电压和振荡的机理,并在此基础上提出一种RC吸收电路参数的计算方法。实验结果表明利用该方法设计的RC吸收电路能够有效解决SiC MOSFET在开关过程中的过电压和振荡问题﹐从硬件电路上有效降低开关噪声,从而保护功率器件。     

6.5 kV SiC MOSFET的优化及开关特性

优化设计了电力系统用6.5 kV SiC MOSFET,测得该器件的导通电流为25 A,阻断电压为6 800 V,器件的巴利加优值(BFOM)达到925 MW/cm²。基于感性负载测试电路测试了器件的高压开关瞬态波形。在此基础上,借助仿真软件构建6.5 kV SiC MOSFET芯片级和器件级仿真模型,通过改变器件元胞结构、阱区掺杂浓度、栅极电阻、寄生电感等参数,研究了6.5 kV SiC MOSFET开关瞬态过程和电学振荡影响因素。结果表明,减小结型场效应晶体管(JFET)宽度有利于提高器件dV/dt能力,而源极寄生电感和栅极电阻是引起栅极电压振荡的重要因素。研究结果有助于分析研究6.5 kV SiC MOSFET在智能电网应用中的开关特性,使得基于SiC MOSFET的功率变换器系统具有更低的损耗、更高的频率和更高的可靠性。     

碳化硅MOSFET电学参数的电容-电阻法评估

阈值电压、栅内阻、栅电容是碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的重要电学参数,但受限于器件寄生电阻、栅介质界面态等因素,其提取过程较为复杂且容易衍生不准确性。文章通过器件建模和实验测试,揭示了MOSFET的栅电容非线性特征,构建了电容-电阻串联电路测试方法,研究了SiC MOSFET的栅内阻和阈值电压特性。分别获得栅极阻抗和栅源电压、栅极电容和栅源电压的变化规律,得到栅压为-10V时的栅内阻与目标值误差小于0.5Ω,以及串联电容相对栅源电压变化最大时的电压近似为器件阈值电压。相关结果与固定电流法作比较,并分别在SiC平面栅和沟槽栅MOSFET中得到验证。因此,该种电容-电阻法为SiC MOSFET器件所面临的阈值电压漂移、栅极开关振荡现象提供较为便捷的评估和预测手段。     

一种基于ACOT的Buck型开关电源设计

基于自适应恒定导通时间(ACOT)控制方式,设计了一种恒频效果良好的降压型DC-DC转换器。该转换器采用V²COT架构,兼具输出精度高和瞬态响应速度快的特点。采用一种改进的自适应导通时间控制方式,降低了负载电流对开关频率的影响,使转换器在连续导通模式(CCM)下具有良好的开关频率稳定性。基于东部高科0.15μm BCD工艺完成流片,芯片输入电压为4.5～17 V,输出电压为0.76～7 V,最大负载电流为3 A,开关频率为1 MHz。测试结果表明,在CCM下,开关频率随输入电压变化率为2.67 k Hz/V,随负载电流变化率为2.95 k Hz/A,峰值效率达96.43%,输出电压纹波为8.2 m V,负载调整率为0.93%,负载瞬态响应时间小于20μs。     

并联MOSFET的雪崩特性分析

文中给出了准动态热模型中的一个雪崩扩展特性,深入研究了电流及热分布对于并联功率MOSFET在雪崩条件下的状态。同时分析了击穿电压的统计分布、热损毁的统计分布、终端杂散电感的影响以及热耦合对最终的电气特性和并联器件的热平衡的影响,设计时考虑了这些因素,可以提高可靠性。文中的结论可以为设计师们在大功率MOSFET器件并联应用方面提供有效的指导。     

一种抑制SiC MOSFET电压电流过冲的有源门极驱动电路

相较于Si MOSFET,SiC MOSFET的高电子迁移率使其能支持更高的开关速度，但与此同时会产生更大的电压、电流过冲，影响其应用的可靠性。提出了一种用于抑制SiC MOSFET漏源电压v_ds与漏极电流i_d过冲的有源门极驱动(AGD)电路，通过检测v_ds和i_d变化率(dv_ds/dt和di_d/dt),利用高速模拟反馈回路控制门极驱动电流的方式来调节dv_ds/dt与di_d/dt,进而减小v_ds与i_d过冲。此外，将AGD方案拓展到电流源驱动电路，提出了电流源有源门极驱动(ACGD)电路。相较于传统门极驱动(CGD),ACGD方案同时具有更快的开关速度与更小的电压、电流过冲。基于双脉冲电路对比了CGD与ACGD的不同效果，在采用ACGD电路后，电流过冲减小了20%,延时减少了30 ns;电压过冲减小了约7%,延时减少了60 ns,电压上升速率提高了约44%。     

电源系统开关控制器的MOSFET选择

DC/DC开关控制器的MOSFET选择是一个复杂的过程。仅仅考虑MOSFET的额定电压和电流并不足以选择到合适的MOSFET。要想让MOSFET维持在规定范围以内,必须在低栅极电荷和低导通电阻之间取得平衡。在多负载电源系统中,这种情况会     

轨道交通碳化硅器件研究进展

随着轨道交通硅基功率器件性能逐渐逼近理论极限,碳化硅功率器件成为重点研究方向,以满足轨道交通系统对高功率密度、低损耗和高可靠性等要求。综述了轨道交通领域碳化硅MOSFET和SBD的芯片、混合碳化硅模块和全碳化硅模块的发展概况,并展望了碳化硅芯片和模块的技术发展趋势。介绍了碳化硅MOSFET芯片向沟槽栅、集成SBD和提升可靠性和迁移率等方向发展的趋势。全碳化硅器件、低杂散电感结构、低热阻基板和高可靠性烧结层的研究对碳化硅模块的发展至关重要。     

寄生电感对碳化硅MOSFET开关特性的影响

相比于传统的Si IGBT功率器件而言,碳化硅MOSFET可达到更高的开关频率、更高的工作温度以及更低的功率损耗.然而,快速的暂态过程使开关性能对回路的寄生参数更加敏感.因此,为了评估寄生电感对碳化硅MOSFET开关性能的影响,基于回路电感的概念,将栅极回路寄生电感、功率回路寄生电感以及共源极寄生电感等效成3个集总电感,并且从关断过电压、开通过电流及开关损耗等3个方面,对这3个电感对SiC MOSFET开关性能的影响进行了系统的对比研究.研究表明:共源极寄生电感对开关的影响最大,功率回路寄生电感次之,而栅极回路寄生电感影响最小.最后,基于实验分析结果,为高速开关电路的布局提出了一些值得借鉴的意见.     

用于直流变换器的SiC MOSFET驱动电路设计

碳化硅器件的优点不仅能提高电力电子装置功率密度,而且使设备体积小型化。文中设计了一种用于直流变换器的SiC MOSFET驱动电路,通过双脉冲电路对SiC MOSFET的动态特性进行测试,验证不同驱动电阻、不同频率对碳化硅功率器件特性的影响。在直流变换器中使用电压等级相同的SiC MOSFET和Si IGBT,对比开通和关断时间,将不同占空比对应的输出电压进行比较。利用PSpice软件仿真,结果显示驱动电路设计合理,验证了SiC MOSFET具有开关速度快、开关损耗小、驱动电阻小、工作频率高等优点,比Si IGBT控制的直流变换器输出电压误差小。     

1.2 kV碳化硅MOSFET瞬态可靠性研究

随着碳化硅MOSFET器件在功率变换领域的广泛应用,碳化硅MOSFET器件的瞬态可靠性问题成为研究热点。文章主要研究了1 200 V SiC MOSFET瞬态可靠性的测试与表征。通过搭建短路和UIS测试通用的测试平台进行实验,对短路和UIS失效机理进行分析。通过对商用器件进行重复性测试,研究器件在两种瞬态可靠性测试下性能退化情况,对器件内部退化机理进行合理的分析。     

一种宽动态范围低失配的电荷泵

采用TSMC 0.18 μm混合CMOS工艺,设计了一种应用在GNSS接收机中低杂散锁相环(PLL)的宽动态范围低失配电荷泵。分析了电荷泵非理想因素和压控振荡器(VCO)调谐增益对参考杂散的影响,发现提高电荷泵电流匹配精度和减小VCO调谐增益均可有效抑制锁相环的参考杂散。采用加负反馈的源极开关型电荷泵,以实现电荷泵充放电电流的精确匹配。利用电荷泵输出电压来控制运算放大器的不同输出支路,以拓宽电荷泵的输出电压动态范围,从而降低PLL输出频率范围对VCO调谐增益的要求。仿真结果表明,当电源电压为1.8 V、电荷泵电流为100 μA时,可以实现充放电电流精确匹配,输出电压范围达到0.02~1.78 V,参考杂散为-66.3 dBc。