SiC MOSFET栅源回路参数的串联扰动研究

为了使SiC MOSFET工程运用时避免串联扰动的威胁,研究栅源回路参数对串联扰动的影响是很有必要的.研究通过对栅源回路参数的调控,将串联扰动现象分为正压尖峰与负压尖峰两部分进行分析,确定影响串扰电压尖峰的参数,为驱动回路参数设计提供方向性意见.首先建立拓扑简化模型,理论分析影响电压尖峰的栅源回路参数,随后搭建实验平台进行电压尖峰观测以及对理论分析进行实验验证,最后对实验波形进行分析.实验表明,当驱动电阻为0～20Ω、驱动杂散电感为0～300 nH、栅极电容为0～10 nF时,串联扰动随着桥臂自身驱动电阻、驱动杂散电感的增大而增大、随着栅极电容的增大而减小.此外,负载阻抗会影响负压尖峰,尖峰震荡同样会影响器件正常工作.     

功率MOSFET寄生电容劣化对开关瞬态响应的影响

为解决功率MOSFET寄生电容劣化影响寿命的问题,在MOSFET非线性模型基础上,深入分析MOSFET寄生电容参数和开关管瞬态响应信号之间的关系,推导了各参数和瞬态响应之间的关系表达式,并用Saber仿真实验进行验证。由于栅极对MOSFET的性能影响至关重要,所以此次实验分析了和栅极相关的栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd。结果表明,在寄生参数相同劣化程度时,栅源电容对瞬态响应的影响达到7.08%,而栅漏电容近似只有1.6%。栅源电容的劣化更大程度上影响瞬态响应,为MOSFET劣化提供了新的研究思路。     

基于键合线等效电阻的IGBT模块老化失效研究

已有研究表明,键合线老化脱落失效是影响绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可靠性的主要因素之一。以此为研究背景,首先根据IGBT模块内部键合线的结构布局与物理特性,分析键合线等效电阻与关断暂态波形的关系,建立键合线等效电阻与关断过程中密勒平台电压以及集电极电流的数学关系式,通过实验测量获得键合线等效电阻,最后分别对键合线等效电阻与键合线断裂数的关系进行定性与定量的分析,得出键合线等效电阻会随键合线断裂数的增加同方向变化,这也证明了本文所提方法的可行性和正确性。     

IGBT小电流开通失效研究及结构改进

对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在小电流开关测试失效进行了分析研究,对IGBT栅极和集电极的电压电流波形监测发现,IGBT在小电流开通时电压电流波形存在严重的振荡问题,电压幅值超过器件最大额定值,导致器件失效。分析了IGBT芯片电容和栅极电阻对小电流开通振荡的影响,通过对IGBT芯片结构进行改进,将小电流振荡抑制在安全值范围内,解决了IGBT小电流开通失效问题,改进后的IGBT器件性能参数和应用测试温升接近国外竞品。     

平面栅SiC MOSFET设计研究

碳化硅MOSFETs开关速率快,耐压高,在逆变器应用领域前景广阔。平面栅MOSFETs因其成熟的工艺是最先被商业化的器件。在平面栅MOSFETs的设计中,降低导通电阻和提高芯片的电流密度是重要的开发目标。基于自主研制的1 200 V及1 700 V SiC MOSFETs,研究了载流子扩展层技术、JFET注入技术以及元胞结构对器件电学特性的影响。测试结果表明采用方形元胞设计的SiC MOSFET的电流明显大于采用条形元胞设计的电流,JFET注入对阈值电压的影响比载流子扩展层技术更小。     

面向低压高频开关应用的功率JFET的功耗

提出了一种埋氧化物槽栅双极模式功率JFET(BTB-JFET),其面向低压高频开关应用。首次通过仿真对BTB-JFET、常规的槽栅双极模式JFET(TB-JFET)和槽栅MOSFET(T-MOSFET)等20V级的功率开关器件在高频应用时的功率损耗进行了比较。仿真中借鉴现有的高性能T-MOSFET的结构尺寸,并采用了感性负载电路对器件进行静态以及混合模式的电特性仿真,结果表明,常开型BTB-JFET与TB-JFET相比,零偏压时栅漏电容CGD减小25%;当工作频率为1MHz和2MHz时常开型TB-JFET与T-MOSFET相比总功耗分别降低了14%和19%,而常开型BTB-JFET较TB-JFET的总功耗又进一步降低了6%。仿真结果还表明,在不同工作频率下,常闭型JFET的性能都不如T-MOSFET。样管初步测试结果证明,常开型BTB-JFET与TB-JFET相比,零偏压时栅漏电容CGD减小45%,与仿真结果相一致。     

不拆高压引线测试单节绝缘结构CVT绝缘电阻方法研究

单节绝缘结构电容式电压互感器为2个电容单元串联封闭于1个瓷套内,绝缘电阻测试需要登高拆除体积巨大的一次引线。绝缘电阻测试过程中拆装引线占总试验时长的82.3%。提出不需拆高压引线即可完成单节绝缘结构电容式电压互感器绝缘电阻测试的方法,经现场比对该测试方法准确可靠,明显提升了CVT绝缘电阻测试效率。     

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。     

抑制SiC MOSFET桥臂串扰与栅源电压振荡的推挽式电容辅助电路分析及参数设计方法

碳化硅金属–氧化物半导体场效应晶体管(SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, SiC MOSFET)在高速开关中引起的桥臂串扰和栅极电压振荡严重制约了其开关速度。针对已提出的基于推挽式电容辅助电路(push-pull-capacitor auxiliary circuit, PPCAC)的SiC MOSFET驱动工作过程进行了进一步的分析。结合分析，将SiC MOSFET桥臂串扰以及漏源电压振荡引起的栅源电压振荡2个问题归一化，通过推挽电容充放电时刻以及桥臂串扰约束，提出了一种推挽电容参数设计方法。通过该设计方法，可使得PPCAC在抑制SiC MOSFET桥臂串扰与栅源电压振荡的基础上，改善其开通关断速度。实验结果验证了所提出设计的有效性。     

基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计

目前碳化硅(SiC)MOSFET大多沿用Si MOSFET和IGBT的驱动设计方法.然而,由于SiC MOSFET相比Si器件具有更高的开关速度,因而栅极内阻、驱动回路电感和功率回路电感导致的栅源电压干扰情况也值得探索.该文分析栅源电压干扰产生的过程,进而归纳提炼出一种基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动参数标幺化设计方法.从开关结电容的等效电路出发,推导出功率回路和驱动回路的传递函数,基于驱动和功率双回路传递函数,研究揭示栅源电压的干扰动态响应机理.进而,引入标幺化的参数表达形式,以标准量化驱动参数对于栅源电压干扰传导路径的影响,提出基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计原则.最后,搭建双脉冲实验平台,验证该驱动设计原则的合理性.     

一种Hefner IGBT模型门极电容参数的提取方法

Hefner IGBT模型足迄今为止最全面、准确性较高的模型.其中驱动模型可用于研究驱动环境与IGBT开关暂态di/dt,du/dt之间的关系.该模型的准确性依赖于门极电容参数Cgs,Caxd的准确提取.采用一个电流源给IGBT门极充电,根据门极电压Vgvs.开通暂态特性,使用"直线拟合"的数据处理方法,可以方便地得到门极电容参数值.最后通过3组不同门极电流,Ig作用下分别得到的门极电容参数值的比较,验证了该方法的正确性.     

沟槽栅场终止型IGBT瞬态数学模型

沟槽栅场终止型代表了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的最新结构。由于沟槽栅结构与平面栅结构在基区载流子输运、栅极结电容计算等方面存在较大的不同,沿用平面栅结构的建模方法不可避免会存在较大的偏差。基于对沟槽栅场终止型IGBT结构特点及模型坐标系的分析,考虑载流子二维效应将基区分成PNP和PIN两部分,根据PIN部分的沟槽栅能否被PNP部分的耗尽层覆盖分析了栅极结电容计算方法,提出一种沟槽栅场终止型IGBT瞬态数学模型,并进行仿真与实验验证。     

基于集总参数法的IGBT模块温度预测模型

从IGBT模块的内部结构和故障机理分析,得到影响IGBT模块可靠性的主要因素是温度的结论,而IGBT模块各层的温度是很难用实验的方法测取的。为了解决这一问题,在分析IGBT模块内部导热机理的基础上,利用瞬时非稳态导热的集总参数法建立热网络模型,并给出热损耗值、等效热阻、等效热容的提取方法。通过与制造商提供的IGBT模块结温实验数据、实测的底板温度和有限元模型相比较,热网络模型温度预测误差小于5%。     

Analysis and modeling of LC oscillator reliability

In this paper, MOS device degradations due to hot carrier and gate oxide breakdown are shown experimentally, and their effects on the NMOS LC oscillator have been evaluated analytically and through SpectreRF simulation. The reduction in transconductance of the differential pair transistors may cause the oscillation to cease. The amplitude of oscillation reduces as the equivalent tank resistance decreases due to the breakdown effect on the MOS varactor. The reduction of amplitude reduces the tank capacitances, and therefore shifts the frequency of oscillation and increases the oscillator phase noise. The tank amplitude of the oscillator is derived analytically. A closed-form expression for the average capacitance of the varactor that accounts for large-signal effects is presented. Finally, a set of guidelines to design an LC oscillator in reliability is presented.     

一种中电压大功率IGBT模块行为模型

目前已有场终止型绝缘栅双极性晶体管(IGBT)行为模型以及仿真软件中的IGBT模型未专门针对中电压大功率IGBT模块搭建,不能准确模拟其区别于中小功率IGBT的行为特性。在已有行为模型基础上,提出引入IGBT基区存储电荷造成的等效电容及模块封装键合丝带来的寄生电感,考虑反并联PIN二极管行为模型,从而有针对性地实现了完整中电压大功率IGBT模块行为模型。同时提出了新的米勒电容函数拟合方法,量化分析行为模型完整开关过程中典型行为与模型参数的关系,通过较简便的方法实现了模型参数的提取。最后在Pspice环境下实现了一种3.3k V/1.5k A等级IGBT行为模型,并通过在Buck电路下仿真与实验波形对比证明了该行为模型的可行性和有效性。     

大功率IGBT模块串联动态均压的研究

绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的串联使用是一种较为有效的提高耐压的方法。作为电感储能型脉冲功率系统中的主断路开关,IGBT串联组合会在开关的动作瞬间在各串联模块两端出现动态不均压的现象。工程应用中,各串联IGBT栅极驱动信号的不同步是导致动态不均压的主要原因。文中分别从负载侧被动均压和栅极侧主动均压对驱动信号的同步性补偿作用进行了理论分析和实验验证,结果表明均可以达到很好的动态均压效果。在此基础上提出利用阻容二极管有源均压法实现多个IGBT模块的串联应用,仿真验证了该方法在3个IGBT串联应用中的可行性。对工程实际应用具有一定的参考意义。     

一种中大功率IGBT数字驱动器设计

目前工程中使用的中大功率IGBT驱动器大都采用模拟电路实现的无源电阻性门极控制方案.针对这些驱动器产品存在的缺陷,提出以FPGA为核心,利用数字技术实现可分级控制的有源门极驱动方案,并论述了该数字驱动器的结构及各部分的工作原理与作用.该驱动器能利用全面的IGBT状态检测电路、多路故障检测和保护电路,使IGBT开关过程得...     

串联谐振式介质阻挡放电型臭氧发生器等效模型及电源特性分析

为了研究稳态工作时的介质阻挡放电(DBD)型臭氧发生器的等效模型,以采用串联谐振逆变电源供电的、所产生臭氧的质量流量为1kg/h的介质阻挡放电型臭氧发生器为研究对象,通过实验数据和曲线拟合相结合的方法对臭氧发生器的等效电阻、等效电容与发生器的放电功率进行了研究。研究结果表明,稳态工作时的臭氧发生器可由与放电功率成线性关系的电阻和电容串联构成等效模型来表示。基于这一等效模型,对移相控制下的串联谐振式DBD型臭氧发生器供电电源特性进行了分析。分析结果表明,由所提出的等效模型和供电电源特性分析方法得到的结果与实验结果具有较好的一致性,可用来解决臭氧发生器供电电源设计繁琐的问题。     

Resistance and capacitance of 4 × n cobweb network and two conjectures

A classic problem in electric circuit theory studied by numerous authors over 160 years is the computation of the resistance between two nodes in a resistor network, yet some basic problem in m × n cobweb network is still not solved ideally. The equivalent resistance and capacitance of 4 × n cobweb network are investigated in this paper. We built a quaternion matrix equation and proposed the method of matrix transformations in terms of the network analysis. We proposed a brief equivalent resistance formula and find that the equivalent resistance is expressed by cos(kπ/9) in a series of strict calculation. Meanwhile, an equivalent resistance of infinite networks is gained. Using the inverse mapping relation between capacitance parameters and resistance parameters, the equivalent capacitance formula is also given for the 4 × n capacitance cobweb network. By analyzing and comparing the equivalent resistances of the 1 × n, 2 × n, 3 × n and 4 × n cobweb networks, two conjectures on the equivalent resistance and capacitance of the m × n cobweb network are proposed. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.