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。     

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。     

SiC器件在大功率LD驱动源模块中的应用

介绍了SiC功率器件的应用优势并将其应用到了大功率LD驱动源模块中;对SiC MOSFET的开关参数及特性进行了分析,并设计了一种简单实用的SiC隔离驱动。本文应用SiC器件设计了一款120V/120A全SiC LD驱动源模块,功率模块主电路拓扑采用四路交错并联Buck电路,电路中的开关管和二极管全部使用SiC功率器件,功率模块最高效率达到98%。     

基于并联SiC MOSFET架构的无刷直流电机高效驱动技术研究

为满足机、弹载伺服驱动系统高功率密度与高效率的需求,提出基于并联SiC MOSFET架构的无刷直流电机高效驱动技术。针对四管分立SiC MOSFET并联不均流现象,在分析不均流机理的基础上,采用基于独立驱动的方法提高并联均流效果;并针对SiC MOSFET高速开关过程产生的较高dv/dt问题,提出一种基于PWM信号的同步采集方法,有效地提升了驱动系统鲁棒性。最后,以航空25 kW无刷直流电机驱动系统作为应用对象,通过实验验证了以上方法的有效性。     

SiC 器件在雷达电源中的应用

现代雷达的发展迫切需要电源提升功率密度和效率。基于第三代半导体碳化硅(SiC)材料的功率器件在耐压等级、高频工作、高温性能等方面有较大优势。文中详细阐述了SiC 器件的特性和各类型SiC 功率器件的发展现状,分析了SiC功率器件在雷达电源中的应用方向,并基于SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)设计了阵面电源样机,完成了高开关频率性能测试。实验结果表明:SiC MOSFET 的高频工作能降低系统损耗,并提升电源功率密度。     

应用于弹载SiC MOSFET的RC吸收电路的设计与优化

SiC MOSFET作为新兴的宽禁带半导体,目前在电源设计中被广泛用于取代Si IGBT。然而在弹载电源这类严苛的应用场合,SiC MOSFET关断暂态带来的超调振荡影响了电源输出的稳定性和品质,并且降低了装置的可靠性。在分析SiC MOSFET开关特性及四种无源吸收电路优缺点的基础上,提出了一种针对SiC MOSFET关断暂态的RC吸收电路优化设计方案,给出了系统效率最优情况下的电路参数范围,提升了吸收电路研发的效率。最后,通过400V/20A双脉冲测试电路进行了实验验证。     

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。     

基于栅极限流的SiC MOSFET栅电荷测试方案

SiC MOSFET是一种高性能的电力电子器件,其开通/关断过程中积累/释放的栅电荷Q_g对MOSFET的开关速度、功率损耗等参数有重要影响。通常采用在栅极设置恒流源驱动,对时间进行积分的方法来测量Q_g。为了降低驱动复杂度,提高测试结果精度和可视性,基于双脉冲测试平台的感性负载回路,改用耗尽型MOSFET限制栅极电流实现恒流充电,对SiC MOSFET进行测试。同时利用反馈电阻将较小的栅极电流信号转换为较大的电压信号。实验结果表明：在误差允许范围(±5%)内该测试方案能较为准确地测得SiC MOSFET的Q_g,测试结果符合器件规格书曲线。     

TPAK SiC车用电机控制器功率单元的并联均流设计与实现

SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)作为车用电机控制器功率单元的核心器件，其并联不均流问题是影响电机控制器安全稳定运行的关键因素。对于热增强塑料封装(TPAK)SiC MOSFET功率模块实际应用中的不均流问题，首先通过理论推导和仿真，对影响SiC并联均流的器件参数、功率回路参数、驱动回路参数进行了全面的分析总结。然后结合仿真结果对电机控制器进行均流优化设计，其中包括对TPAK SiC MOSFET进行测试、筛选和分析，减小器件参数分散性的影响；基于器件开关特性，对功率模块的驱动回路采用单驱动器多推挽结构，减小驱动回路对并联均流的影响；设计了一种叠层母排结构，在ANSYS Q3D中提取到功率回路寄生电感为9.649 nH,采用ANSYS Q3D和Simplorer进行联合双脉冲仿真，电流不均衡度小于3%。最后，进行了电机控制器样机的试制及测试，实际测试结果表明电流不均衡度小于5%,验证了在车用电机控制器应用中TPAK SiC MOSFET模块均流设计的可行性。     

基于IR2136与MOSFET的无刷直流电机驱动电路设计

针对传统驱动电路的设计,需要采用相互独立的电源为功率开关管供电,使得硬件结构复杂,可靠性下降,为此,基于功率驱动芯片IR2136与场效应管MOSFET,从信号隔离、三相逆变驱动、过流保护电路等方面,对无刷直流电机驱动电路进行设计。重点阐述了三相逆变驱动电路中的自举电路设计和功率管的驱动保护优化设计。采用TMS570控制板,对该驱动电路进行功能测试,结果表明,设计的驱动电路能够驱动电机平稳运行,且工作稳定可靠。     

1200V大容量SiC MOSFET器件研制

采用平面栅MOSFET器件结构,结合优化终端场限环设计、栅极bus-bar设计、JFET注入设计以及栅氧工艺技术,基于自主碳化硅工艺加工平台,研制了1200V大容量SiC MOSFET器件.测试结果表明,器件栅极击穿电压大于55V,并且实现了较低的栅氧界面态密度.室温下,器件阈值电压为2.7V,单芯片电流输出能力达到50A,器件最大击穿电压达到1600V.在175℃下,器件阈值电压漂移量小于0.8V;栅极偏置20V下,泄漏电流小于45nA.研制器件显示出优良的电学特性,具备高温大电流SiC芯片领域的应用潜力.     

高端MOS管栅极驱动技术研究

高端MOS管驱动电路在高压输入大功率电源中被广泛应用。分析了高端MOS管的驱动原理,对影响高端MOS管驱动的各种因素进行了探讨,提出了适合高端MOS管驱动的基本方法。较全面地评估了传统的变压器驱动电路和自举驱动电路对高端MOS管驱动的影响,继而提出了适合高端MOS管驱动的线路结构,并采用该方案设计了一个实验电路。仿真和实验电路测试结果表明,设计电路满足要求。     

A self-driven soft-switching voltage regulator for future microprocessors

In conventional high frequency 12-V input voltage regulators (VR), large gate driver loss and body diode conduction loss raise crucial challenges to its gate driver implementation. The proposed self-driven topologies are basically buck-derived multiphase interleaving soft switching topologies, which eliminate the synchronous rectifier MOSFET drivers and save driving loss and body diode loss, so that it is a high efficiency, high power density solution for future microprocessors. A 1U four-phase 1.3-V/100-A VRM running at 1MHz demonstrates its advantages (cost, size and efficiency) over the conventional multiphase buck converter.     

Impact of the gate driver voltage on temperature sensitive electrical parameters for condition monitoring of SiC power MOSFETs

Condition monitoring using temperature sensitive electrical parameters (TSEPs) is widely recognized as an enabler for health management of power modules. The on-state resistance/forward voltage of MOSFETs, IGBTs and diodes has already been identified as TSEPs by several researchers. However, for SiC MOSFETs, the temperature sensitivity of on-state voltage/resistance varies depending on the device and is generally not as high as in silicon devices. Recently the turn-on current switching rate has been identified as a TSEP in SiC MOSFETs, but its temperature sensitivity was shown to be significantly affected by the gate resistance. Hence, an important consideration regarding the use of TSEPs for health monitoring is how the gate driver can be used for improving the temperature sensitivity of determined electrical parameters and implementing more effective condition monitoring strategies. This paper characterizes the impact of the gate driver voltage on the temperature sensitivity of the on-state resistance and current switching rate of SiC power MOSFETs. It is shown that the temperature sensitivity of the switching rate in SiC MOSFETs increases if the devices are driven at lower gate voltages. It is also shown, that depending on the SiC MOSFET technology, reducing the gate drive voltage can increase the temperature sensitivity of the on-state resistance. Hence, using an intelligent gate driver with the capability of customizing occasional switching pulses for junction temperature sensing using TSEPs, it would be possible to implement condition monitoring more effectively for SiC power devices.     

SiC JFET与SiC MOSFET失效模型及其短路特性对比

建立了两种碳化硅（SiC）器件JFET和MOSFET的失效模型.失效模型是在传统的电路模型的基础上引入了额外附加的泄漏电流,其中,SiC JFET是在漏源极引入了泄漏电流,SiC MOSFET是在漏源极和栅极引入了泄漏电流;同时,为了体现温度和电场强度与失效的关系,用与温度和电场强度相关的沟道载流子迁移率代替了传统电路模型所采用的常数迁移率.有关文献的实验结果和半导体器件的计算机模拟（Technology Computer Aided Design,TCAD）验证了两种SiC器件失效模型的准确性.所建立的失效模型能够对比SiC JFET和SiC MOSFET的短路特性.     

SiO2/4H-SiC界面氮化退火

通过1 300℃高温干氧热氧化法在n型4H-SiC外延片上生长了厚度为60 nm的SiO2栅氧化层.为了开发适合于生长低界面态密度和高沟道载流子迁移率的SiC MOSFET器件产品的栅极氧化层退火条件,研究了不同退火条件下的SiO2/SiC界面电学特性参数.制作了MOS电容和横向MOSFET器件,通过表征SiO2栅氧化层C-V特性和MOSFET器件I-V特性,提取平带电压、C-V磁滞电压、SiO2/SiC界面态密度和载流子沟道迁移率等电学参数.实验结果表明,干氧氧化形成SiO2栅氧化层后,在1 300℃通入N2退火30 min,随后在相同温度下进行NO退火120 min,为最佳栅极氧化层退火条件,此时,SiO2/SiC界面态密度能够降低至2.07×1012 cm-2·eV-1@0.2 eV,SiC MOSFET沟道载流子迁移率达到17 cm2·V-1·s-1.     

A 1-MHz High-Efficiency 12-V Buck Voltage Regulator With a New Current-Source Gate Driver

This paper proposes a new current-source gate drive circuit for a synchronous buck converter. The proposed driver can drive two MOSFETs independently with different drive currents for optimal design. For the control MOSFET, the optimal design involves a tradeoff between switching loss reduction and drive circuit loss; while for the synchronous-rectifier MOSFET, the optimal design involves a tradeoff between body diode conduction loss and drive circuit loss. Furthermore, the new drive circuit can achieve: 1) significant switching loss reduction; 2) gate energy recovery and high gate drive voltage to reduce $R_{{bf DS}({bf ON})}$ conduction losses; 3) reduced conduction loss and reverse recovery loss of the body diode; and 4) zero-voltage switching of all the drive switches. The improved driver using integrated inductors is presented with multiphase buck voltage regulators (VRs) to reduce the number of magnetic cores and the core loss. The experimental results prove that a significant efficiency improvement has been achieved. At $ hbox{1.5-V}$ output, the new driver improves the efficiency from 84% using a conventional driver to 87.3% at 20 A, and at 30 A, from 79.4% to 82.8%. Overall, the new driver approach is attractive from the standpoints of both performance and cost-effectiveness.      

碳化硅MOSFET反型沟道迁移率的研究

SiC MOSFET是制作高速、低功耗开关功率器件的理想材料，然而，制作反型沟道迁移率较高的SiC MOSFET工艺尚未取得满意结果。通过在N0中高温退火可以显著地提高4H—SiC MOSFET的有效沟道迁移率；采用H2中退火制作的4H—SiC MOSFET阈值电压为3．1V，反型沟道迁移率高于100cm^2／Vs的栅压的安全工作区较宽。N20退火技术由于其的安全性而发展迅速并将取代N0。     

SiC JBS二极管和SiC MOSFET的空间辐照效应及机理

基于第六代650 V碳化硅结型肖特基二极管(SiC JBS Diode)和第三代900 V碳化硅场效应晶体管(SiC MOSFET),开展SiC功率器件的单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应研究。20～80 MeV质子单粒子效应实验中,SiC功率器件发生单粒子烧毁(SEB)时伴随着波浪形脉冲电流的产生,辐照后SEB器件的击穿特性完全丧失。SiC功率器件发生SEB时的累积质子注量随偏置电压的增大而减小。利用计算机辅助设计工具(TCAD)开展SiC MOSFET的单粒子效应仿真,结果表明,重离子从源极入射器件时,具有更短的SEB发生时间和更低的SEB阈值电压。栅-源拐角和衬底-外延层交界处为SiC MOSFET的SEB敏感区域,强电场强度和高电流密度的同时存在导致敏感区域产生过高的晶格温度。SiC MOSFET在栅压偏置(U_GS=3 V,U_DS=0 V)下开展钴源总剂量效应实验,相比于漏压偏置(U_GS=0 V,U_DS=300 V)和零压偏置(U_GS=U_DS=0...     

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.