感性负载条件下IGBT开通过程分析

针对IGBT的开通过程中,研究了感性负载条件下IGBT的开通过程中栅极电压、集电极电流、集射极电压随时间变化的特点及其相互关系。详细阐述了栅极电容随栅极电压变化的机理以及栅极平台电压产生的机理,分析了驱动电阻对栅极电压的影响。根据IGBT开通电流特点,提出用二次函数来拟合IGBT开通时的集电极电流波形,同时还分析了主回路杂散电感对开通波形的影响。搭建了IGBT动态开关特性测试平台,测量结果验证了本文分析的正确性。     

共栅共源结构GaN HEMT开关模型

为了计算共栅共源结构高压氮化镓(GaN)器件开关损耗,提出一种共栅共源结构GaN器件开关过程及损耗模型.通过考虑共栅共源结构中PCB和引线寄生电感以及器件结电容,得出共栅共源结构GaN器件的等效电路模型,进而得到测试开关特性的双脉冲等效电路.按时间顺序将开通过程分为5个阶段,关断过程分为4个阶段对双脉冲等效电路进行分析和简化,并计算得出各个阶段中共栅共源结构GaN器件电压电流时域表达式,从而得到开关过程波形及损耗.在不同驱动电阻和开关电流下进行双脉冲实验,模型与实验的开通、关断过程波形及损耗较吻合,表明所提出模型较准确.     

碳化硅MOSFET开关特性分析及杂散参数优化

为改善碳化硅MOSFET开关瞬态特性,最大限度地发挥碳化硅MOSFET性能优势。首先,简单分析了开通电流过冲和关断电压过冲产生机理,并在LTSPICE仿真软件中建立了双脉冲测试回路等效电路模型。仿真结果表明:开通电流过冲和关断电压过冲分别主要取决于上桥臂总杂散电容和回路杂散电感。此外,分析了负载电感的杂散电容与绕制层数的关系。通过Q3D仿真,对比研究了不同直流母排结构以及电容布局方式下的杂散电感。最后基于阻抗分析仪测量,采用谐振频率法计算出负载电感的杂散电容和直流母排的杂散电感。仿真和实验结果均表明:单层负载电感杂散电容最小,环形叠层结构直流母排的杂散电感最小。因此在相同开关速度下,采用优化后的测试平台,器件开关瞬态特性明显得到了改善。     

共栅共源结构GaN HEMT开关模型

为了计算共栅共源结构高压氮化镓(GaN)器件开关损耗,提出一种共栅共源结构GaN器件开关过程及损耗模型.通过考虑共栅共源结构中印制电路板(PCB)和引线寄生电感以及器件结电容,得出共栅共源结构GaN器件的等效电路模型,进而得到测试开关特性的双脉冲等效电路.按时间顺序将开通过程分为5个阶段,将关断过程分为4个阶段,对双脉冲等效电路进行分析和简化,并计算得出各个阶段中共栅共源结构GaN器件电压电流时域表达式,从而得到开关过程波形及损耗.在不同驱动电阻和开关电流下进行双脉冲实验,模型与实验的开关波形及损耗较吻合,表明所提出模型较准确.     

压接型IGBT芯片动态特性影响因素实验研究

压接型IGBT器件内部具有复杂的电-热-力环境，直接影响了其内部IGBT芯片的动态特性，进而决定了整个器件的安全工作能力。为此，研究不同影响因素下的压接型IGBT芯片动态特性具有重要意义。为了全面获得电-热-力综合影响下压接型IGBT芯片的动态特性，利用所研制的具有多因素解耦、灵活调节能力的双脉冲实验平台，针对一款3.3kV/50A压接型IGBT芯片，测量获得了不同母线电压、负载电流、驱动电阻、温度及机械压力下的双脉冲实验波形。分析了不同影响因素对双脉冲波形的影响规律，对比了不同影响因素对IGBT动态特征参数影响程度，结果表明母线电压主要影响关断过程，负载电流、驱动电阻和温度主要影响开通过程，机械压力对开通关断过程的影响很小，研究结果对IGBT芯片建模及压接型IGBT器件安全运行具有重要的指导意义。     

基于Levenberg-Marquardt算法的碳化硅MOSFET建模研究

为了更快速准确地对碳化硅MOSFET功率器件进行开关行为预测与分析,需要建立其静态和动态行为模型. 静态模型包括不同温度下的转移特性曲线和输出特性曲线,以及寄生非线性电容曲线等. 提出了一种基于EKV公式改进的曲线拟合公式和一种新的非线性电容拟合公式,利用Levenberg-Marquardt算法进行参数拟合,建模速度快,模型误差小. 动态模型在考虑封装寄生电感和寄生非线性电容等非理想条件下,分别建立器件导通和关断过程每一个阶段的栅源极电压、漏源极电压、肖特基二极管电压、栅极电流和漏极电流的电路微分方程组,再以每一个阶段结束时的状态变量作为下一个阶段的初始条件. 采用4阶龙格库塔法求解上述微分方程组的数值解,并与LTspice仿真波形进行对比分析. 结果表明,上述建模方法能较好地描述器件的动态行为特性.     

采用全阶状态观测器的IGBT模块结温预测

为解决控制器功率器件过温失效问题,需要对IGBT的PN结温度进行实时精确估计。设计全阶状态观测器对IGBT的结温进行实时估计,并综合考虑电、热参数的相互影响,采用闭环控制实现结温的估计修正;根据双脉冲测试原理搭建IGBT动态特性离线测试平台,研究导通电流、母线电压、结温对IGBT损耗的影响,采用线性插值法推导IGBT损耗的数学模型;根据热-电比拟理论建立热网络模型,搭建热阻测试平台获得温度与瞬态热阻变化曲线;基于IGBT热网络模型推导各温度节点的状态方程,针对开环估计方法估计精度差的问题,设计全阶状态观测器,利用观测器输出壳温和实测的壳温之间的误差对结温估计值进行实时修正。搭建基于Matlab\\Simulink的仿真平台,验证了IGBT结温估计的有效性和准确性;搭建结温预测实验平台,采用热敏参数法对结温状态观测器进行验证。仿真和实验结果表明,估计的结温能够很好地跟踪实际值,验证了提出方法的准确性。     

钛酸锶铅陶瓷电阻开关效应研究

陶瓷样品的电阻开关特性报道较少见,本文采用传统的高温固相法制备出钛酸锶铅((Sr_0.9Pb_0.1)TiO₃)陶瓷,并对陶瓷样品的相结构、电性能、阻抗进行了测试表征.XRD图谱显示样品呈现纯的钙钛矿四方相晶体结构. 循环回路测试其I-V特性,当施加电压±60 V,陶瓷样品显示出良好的电阻开关效应.考虑到材料在制备过程中Pb挥发产生的氧空位,通过分析阻抗图谱,利用Arrhenius公式拟合计算出样品的活化能,进一步确定引起器件电阻开关特性的可能是氧空位机制.     

基于Simplorer驱动电阻对IGBT特性影响研究

驱动电阻对IGBT特性有直接关系,针对大多数仿真软件对IGBT模型的建立不够准确,采用Ansys公司的Simplorer对IGBT进行参数化建模,并用双脉冲测试方法来对IGBT搭建外围电路。重点分析栅极驱动电阻对IGBT的电压变化率和通断延时的关系,分析表明驱动电阻与IGBT电压变化率和开通延时时间的关系成线性关系。对驱动电阻阻值不同的驱动电路对IGBT进行仿真,仿真结果符合理论推导。因此,选择大小恰当的驱动电阻对IGBT使用具有一定工程意义。     

基于Simulink的IGBT模块的结温计算

为探究绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块在长时间疲劳损伤累积下造成的失效问题,采用电-热模拟法测量IGBT模块的结温。以三相桥式逆变器为例,应用开关周期方法计算IGBT和续流二极管(FWD)的功率损耗。基于MATLAB/Simulink搭建IGBT模块结温计算模型及热网络模型,对IGBT模块结温进行仿真,采用IPOSIM软件验证搭建模型的准确性。研究表明,IGBT模块平均结温随输出频率增加有所降低,随器件开关频率的增加而增加,模块结温与环境温度变化趋势相一致。该方法不需要直接接触功率器件,而且计算量小,结果准确。     

用作射频仿真的BSIM3v3改进模型

该文介绍了BSIM3模型直流参数提取的过程以及在RF下模型的改进情况。首先简要介绍了BSIM3模型的发展情况，然后根据BSIM3用户手册。对BSIM3的一些直流参数进行了提取以及优化，同时给出了参数优化后的仿真曲线与测试曲线的对比。随着器件工作频率的提高，原有的模型不能满足电路设计精度的要求，该文对BSIM3模型进行了改进，增加了栅极电阻模拟分布传输线效应和非准静态效应；增加衬底电阻网络，减少高频情况下对Y12，Y22参数的影响；增加电感和电容模拟引线以及各极之间的寄生效应。最后给出了模型改进前后与测试的S参数的对比曲线。     

基于碳化硅MOSFET三相逆变电路损耗新算法

提出了一种三相逆变电路功率开关器件损耗计算的新方法.为了达到将高频电力电子电路和实时仿真算法相结合应用于嵌入式实时仿真平台的目的,针对工程应用中逆变器损耗计算的实时性和精确性要求,该方法以实际电路可采样信号为基础,利用功率开关器件器件手册提供的产品参数,通过采样平均算法计算功率开关器件损耗.将采样算法值与小仿真步长的PLECS仿真结果做对比,结果表明新算法可以较为准确的计算损耗,并进一步提出了在硬件系统性能要求下尽可能保证损耗计算的精度要求的变采样频率算法.     

基于IGBT的无源无级调感技术

提出了一种用IGBT开关实现无源方式连续调感的方法,并用MATLAB与PSCAD软件对其进行了仿真,仿真结果表明,该方法可以实现快速改变电感参数,根据需要随时调整参数,产生必要的检测信号,证明了理论推导结论的正确性。     

基于遗传算法的有源式高压直流开关参数计算

利用遗传算法对高压直流断路器振荡回路电流波形进行分析,提出对直流断路器振荡回路容抗、感抗和阻尼电阻的值进行在线参数计算的方法,以实现对直流断路器振荡回路性能的正确评估.结合葛上直流输电工程中葛洲坝换流站现场在线监测数据和离线试验数据,通过与MATLAB中利用最小二乘法拟合的结果进行比较,验证了基于遗传算法的高压直流开关参数计算方法的准确性和可靠性.现场试验效果证明遗传算法在高压直流断路器参数计算与状态评估方面优于传统的方法,对实际参数的计算更为准确.     

GaN HEMT预充电式驱动电路设计

由于传统驱动电路难以发挥新型器件GaN HEMT的高频优势,为了提高电路工作频率,充分利用GaN HEMT特性,设计了一种适用于该器件的驱动电路。经过对比分析GaN HEMT器件和Si MOSFET器件的寄生参数和工作特性,得出GaN HEMT的特点和对驱动电路的要求;采用LTspice软件仿真,描述该驱动电路低损耗和快速性特征,实现高/低电平箝位功能;通过搭建Boost电路,实验验证预充电式驱动电路的有效性。结果表明:在频率500 kHz、输出电压75 V的工作条件下,该驱动电路与谐振式驱动电路相比损耗下降45.8%,可实现GaN HEMT器件在9 ns内开通、15 ns内关断,比独立拉灌式驱动条件下的开关速度分别提高11 ns和24 ns,更能发挥GaN HEMT高频特性,同时该电路还具有高/低电平箝位功能,提高了电路工作可靠性。     

针对新型HfO2栅介质改进的四元件电路模型

针对超薄HfO₂栅介质MOS电容,提出改进的四元件小信号等效电路模型,修正了双频C-V法,增加了串联寄生电阻和串联电感两个参数．结合双频测量结果计算出修正的C-V曲线,消除了高频时的频率色散现象,而且曲线更加接近理想C-V曲线．通过实验结果提取了寄生参数值并拟合出各元件值与MOS电容面积和反型层厚度的解析表达式．实验测量和理论计算表明该方法可提高通常C-V法的测量精度．     

非共振阻尼介观耦合电路中的量子效应

研究了两个分回路中电路参数即电容和电感的不同对有阻尼的介观耦合电路中量子涨落的影响。计算中考虑了电阻产生的物理机制即电子与声子的相互作用。两个分回路电路参数的不同会使一个分回路中的量子涨落减小,另一个分回路中的增加。结果表明,无论是电容耦合还是电感耦合都会使耦合部分的电荷涨落得到压缩,而耦合部分电流的量子涨落得不到压缩。     

功率变换器母排局部杂散电感建模与优化

以一种两电平逆变器叠层母排作为研究对象,建立了局部杂散电感的数学模型。通过ANSYS Q3D有限元仿真软件,提取叠层母排局部杂散电感的自感与互感,并根据杂散电感数学模型计算出等效局部杂散电感。通过分析母排各局部杂散电感大小及产生原因,对母排结构进行了改进。通过减小母线电容到IGBT模块之间的局部杂散电感,有效改善了功率变换器各换流回路运行的状态。搭建双脉冲测试电路,提取改进前后母排局部杂散电感。实验结果证明改进后母排的杂散电感明显减小,验证了理论分析的正确性。     

微波器件CADS参数提取系统

航天机电集团公司 2 0 3所研制成微波器件ＣＡＤＳ参数提取系统 ,在国内首次对国产有源器件Ｓ参数提取技术进行了全面、系统的研究。该系统达到国际 80年代末水平 ,为国内最先进系统。该所为了准确提取ＦＥＴ器件参数 ,研究了系统误差模型、研制测试夹具、校准误差用的校准标准和标准器件 ,改进完善参数提取软件 ,建立小信号ＦＥＴ器件模型技术。准确提取参数技术不仅是用好ＣＡＤ软件的关键 ,也是软件能否确保产品质量的关键。微波电路主要是模拟电路 ,提取参数的电平小至微微瓦 ,大至几十兆瓦 ,频率低端为 10 0ＭＨｚ以下 ,高端为 10 0Ｇ…     

热电制冷器温度依赖的材料参数的提取

为获取通常情况下大部分厂家保密但在计算过程中所必须的热电制冷器(TEC)的热电材料参数,对温度依赖的热电材料参数进行了提取.利用一款一级TEC性能的测试结果,基于热电基本公式,根据两种不同的材料参数取值方法分别建立了两个超定方程组,通过对这两个方程组进行求解,分别提取了两组TEC的热电材料参数.并用所提取的两组热电材料参数对另一款相同材料的5级TEC性能进行了计算以验证所提取材料参数的有效性.结果表明:厂家性能曲线误差随级数增加而增大,对于5级TEC,制冷温度误差可达20 K以上,这在TEC选型中应予以重视;本文所提取的材料参数在计算另一款5级TEC制冷温度时,不同制冷量下误差最大为1.6 K～6.1 K.同时,电压的计算结果表明计算模型中接触电阻是不可忽略的,通过所提取的电阻误差对电压的计算进行修正后,在TEC适用工作电流区间内,两组参数计算的电压相对误差分别小于4.80%和7.00%.本文方法计算的制冷温度误差约为极值法误差的1/5～1/2,约为厂家参数误差的1/10～1/4,准确度与有限元法利用热电材料参数实测值计算的结果近似,可有效的用于相同材料TEC的性能评估.