Si IGBT/SiC MOSFET混合器件及其应用研究

综述了Si IGBT/SiC MOSFET混合器件在门极优化控制策略、集成驱动设计、热电耦合损耗模型、芯片尺寸配比优化和混合功率模块研制等方面的最新研究成果与进展。Si IGBT/SiC MOSFET混合器件结合了SiC MOSFET的高开关频率、低开关损耗特性和Si IGBT的大载流能力和低成本优势,已有文献的最新研究和实验结果验证了该类器件的优异特性,表明其对高性能电力电子器件实现更高电流容量、更高开关频率和较低成本具有重要意义,是高性能变换器应用中非常有潜力的功率器件类型。     

SiC JMOS和SiC DMOS在Si/SiC混合器件单相逆变器中的应用研究

Si IGBT与SiC MOSFET并联组成的Si/SiC混合器件(HyS)因在功率变换器中提供了一种成本与性能的优化折衷而受到广泛关注。其中,SiC MOSFET特性直接影响Si/SiC混合器件的性能,对基于不同类型SiCMOSFET的Si/SiC混合器件的特性差异分析极为必要。该文对比分析基于新型集成结势垒肖特基二极管(JBS)的SiCMOSFET(SiCJMOS)的Si/SiC混合器件(HyS_J)和基于传统平面栅SiCMOSFET的传统Si/SiC混合器件(HyS_D)的特性差异。对比分析2种混合器件的导通特性与开关特性,结果表明,与HyS_D相比,HyS_J具有更低的反向导通压降,更好的反向恢复性能和更小的开通损耗。建立适用于2种混合器件单相逆变器损耗模型,对比分析2种器件在逆变器应用中的损耗差异。设计基于2种混合器件的5kW单相逆变器样机,对比应用2种混合器件的变换器损耗、效率及器件结温。实验结果表明,在轻载条件下,与HyS_D方案相比,HyS_J可以实现最大0.5%的峰值转换效率的提升。     

SiC MOSFETs与Si IGBTs的性能对比研究

通过采用双脉冲测试方法,以具有相同电流额定值的SiC MOSFET CMF10120D(1 200V/24A)和Si IGBT IKW25T120(1 200 V/25 A)作为样本,在相同测试条件下研究了两种器件的动态特性、反并联二极管的反向恢复特性和开关损耗。研究发现,SiC MOSFET的开关速度快,开关损耗仅为Si IGBT的69%。最后,利用IPOSIM对两种器件应用于三相逆变器中的结温进行对比研究。结果表明,在输出频率为50 Hz时,Si IGBT的最大结温为166℃,已超过允许的150℃,结温波动为37℃,而SiC MOSFET的最大结温仅为105℃,结温波动仅为19℃;反并联二极管的结温波动基本相同,但Si IGBT反并联二极管的最大结温要高出26℃。因而,在大功率、高温电力电子变换器的应用中,SiC MOSFET更具优越性。     

面向Si/SiC混合器件逆变器全寿命周期安全工作区的多开关模式主动切换策略

基于硅基绝缘栅双极型晶体管(Si IGBT)和碳化硅金属氧化物半导体场效应管(SiC MOSFET)的Si IGBT/SiC MOSFET混合器件采用多开关模式切换策略可使变换器具备应对复杂工况的能力,然而现有切换策略并未考虑器件疲劳老化对模式切换阈值电流的影响,在混合器件老化进程后期极有可能造成器件热失效,进而严重威胁变换器的可靠运行。基于此,提出了一种面向Si/SiC混合器件逆变器全寿命周期安全工作区的多开关模式主动切换策略。基于器件疲劳老化对逆变器最大安全运行电流的影响规律,设计了考虑老化进程的逆变器安全工作区刻画流程。根据安全工作区刻画结果,提出了适用于混合器件全寿命周期的多开关模式主动切换策略。实验结果表明,该策略能够针对混合器件不同老化程度来动态调整开关模式切换阈值电流,从而在器件全寿命周期内保障逆变器的运行可靠性。     

混合模块及其应用

SiC器件是下一代电力电子器件,目前价高难推广应用,在器件换代过渡期为增大功率及降低成本推出Si和SiC混合模块是现实的解决方案。除价格因素外,SiC器件的高开关速度导致开关过程电压和电流大幅振荡,也为应用带来很大困难,混合模块有助于克服这困难。介绍两种Si和SiC混合模块的应用:硅IGBT和碳化硅BCD混合模块及硅IGBT和碳化硅MOSFET混合模块。另外,还介绍全硅IGBT和MOSFET混合模块的应用,它也能获得Si-IGBT+SiC-MOSFET模块的许多好处。     

基于碳化硅器件及其驱动的谐振变换器设计

硅(Si)基电力电子器件受限于Si材料特性难以在耐压、耐温、开关频率等方面有所突破,而碳化硅(SiC)基器件因其性能优异,尤其在中高压电能变换设备的应用中前景广阔。理论与实验对比分析了SiC MOSFET与Si MOSFET,Si IGBT的特性,对驱动电路进行了分析与改进以适应不同器件驱动电压的需要,最后应用SiC MOSFET及其驱动电路搭建了100 kHz CLLC谐振变换器实验样机。说明了SiC基器件相较于Si基器件在导通、关断以及开关性能上的优势,验证了改进后驱动电路以及基于此来研制高性能电源变换器的可行性。     

基于混合并联器件的串联变换器故障运行研究

高压大功率电力电力变换器的需求日益增加,而单个功率器件难以满足应用的需求,因此需采用器件串联的方式。宽禁带半导体器件SiC MOSFET具有高频、高耐压、高开关速度的优势,基于SiC MOSFET的串联变换器不仅满足高压大功率的需求,而且满足高频、高功率密度的发展趋势,但由于器件工艺的不成熟,基于纯SiC MOSFET的串联变换器成本昂贵、过载能力弱,容错率低。基于Si IGBT/SiC MOSFET混合并联器件的串联变换器具有低导通损耗、低开关损耗、高短路耐量的优势,满足高压、高频以及高功率密度的应用需求,而且在变换器中器件失效的条件下仍可以带故障运行,提高了系统的容错率。在此介绍了基于并联混合器件的串联变换器结构,基于功率器件的失效模式制定了相应的故障处理策略,并分析了基于混合并联器件的串联变换器的可靠性,最后基于搭建的串联变换器实验样机验证了该变换器的故障运行能力。     

基于新型1200V碳化硅(SiC)MOSFET的三相双向逆变器的研究

研究了基于新一代宽禁带1 200 V碳化硅(SiC)MOSFET三相双向逆变器,由于SiC MOSFET的高耐压、低损耗、高开关频率特性,逆变电路的拓扑结构得到简化,并提高了功率密度和可靠性。同时,利用碳化硅MOSFET的双向第三象限导通特性,与硅基IGBT相比省略了开关器件的反并联二极管。20 k VA实验样机验证了在该中大功率三相双向逆变器中SiC MOSFET相比硅基IGBT方案的优势。     

器件特性参数对SiC MOSFET静动态均流影响的实验研究

碳化硅(SiC)MOSFET作为第三代半导体器件,与硅IGBT相比在高频、高温、高压的工况下性能更加优异。然而在并联应用中,不同器件之间较大的特性参数差异会影响并联均流的动静态特性。现有的SiC MOSFET并联均流研究并没有全面地分析器件参数对并联均流产生的影响。因此,测试了30个器件在通态电阻、阈值电压、跨导和寄生电容上的差异并理论分析了不同特性参数对并联动静态均流所造成的影响,设计了SiC MOSFET并联均流实验的平台,且在排除电路参数以及测量系统可能引入的误差的条件下,针对不同器件参数的差异度进行实验,最后综合理论分析和实验结果,得出SiC MOSFET不同器件特性参数的差异度分别对静动态均流的影响以及这些影响的综合作用关系。     

SiC MOSFET与Si IGBT器件温度敏感电参数对比研究

功率半导体器件结温是反映器件健康状态的关键指标。目前被认为具有前景的在线实时结温提取方案是基于器件本身的温度敏感电参数TSEPs(temperature sensitive electrical parameters)法,对于Si IGBT器件温敏电参数的在线实时结温提取方法国内外已有大量文献报道,但对于宽禁带SiC器件研究甚少,且对于不同种温敏电参数的特性差异分析极为必要。因此,提出针对不同温敏电参数在SiC MOSFET和Si IGBT上的对比分析。首先对SiC MOSFET的静态和动态温敏电参数进行理论建模分析获取结温敏感依据,后续通过实验多维度对比分析温敏电参数在SiC MOSFET和Si IGBT的适用性。最后就各温敏电参数的提取电路设计进行分析对比。实验结果表明,通态电阻R_(on)和开通di/dt更适合于SiC MOSFET,而V_(TH)、t_(d-off)和V_(GP)更适合于Si IGBT。     

SiC MOSFET特性及其应用的关键技术分析

SiC MOSFET(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)以其优越的特性受到国内外学者的广泛关注,采用SiC器件的变换器能够采用高的开关频率、适应高温工作,实现高的功率密度,在一些应用场合能够代替Si基高频开关器件而显著提高电能变换装置的性能。然而,SiC器件与Si器件存在较大的差异,在实际应用中直接替换使用会存在诸多的问题,例如提高工作频率后产生的桥臂串扰、电磁干扰EMI(electromagnetic interference)等问题。目前已有大量关于SiC MOSFET应用研究的文献,但大部分都是针对SiC MOSFET应用中个别问题的研究,尚缺少对SiC MOSFET应用研究成果的系统性归纳与总结的文献。首先基于对SiC MOSFET与Si MOSFET/IGBT(insulated gate bipolar transistor)的静态、动态特性的对比,总结出SiC MOSFET在实际应用中需要关注的重点特性;然后从SiC MOSFET建模、驱动电路设计、EMI抑制以及拓扑与控制方式的选择等方面对已有的研究成果进行归纳与评述;最后指出了SiC MOSFET在应用中所需要研究解决的关键问题。     

SiC功率器件在Buck电路中的应用研究

近年来,一种新型半导体器件碳化硅(SiC)以其优良的性能逐渐受到人们的关注。介绍了SiC的材料特性及基于SiC的功率开关器件的特性,并对其在Buck电路中的应用进行了探索。主要对SiC器件的特性参数进行分析,并对Buck电路的主功率部分及控制驱动部分进行了设计。通过设计Buck电路并进行仿真实验,验证了理论设计的正确性。实验结果表明,SiC MOSFET器件在高频大电压的应用场合相对于硅(Si)MOSFET器件有着开关损耗低,效率高等优点。     

SiC MOSFET静态性能及参数温度依赖性的实验分析及与Si IGBT的对比

碳化硅SiC(silicon carbide)MOSFET作为新型的电力电子器件,具有不同于Si IGBT的电热特性,且其静态特性在宽温度范围内变化特性并不明确。以Si C MOSFET为研究对象,从器件的工作原理入手,结合Si IGBT对比,分析了其静态特性及寄生参数受温度的影响,并在-55℃至165℃准确测量了包括阈值电压、导通电阻、泄漏电流、输出特性及寄生参数在内的多个参数,实验结果符合理论分析。根据实验结果分析了各项性能参数的温度敏感性,结果表明:Si C MOSFET静态性能及参数与温度具有极强的相关性;与Si IGBT相比,温度依赖性更为明显,并且能够为器件结温测量及Si C MOSFET电力电子系统状态监测提供理论依据与实验基础。     

一种基于物理的SiC MOSFET改进电路模型

碳化硅（SiC）材料因其在禁带宽度、击穿电场、电子饱和速度等方面的优势,使得SiC MOSFET具有高频、高压以及高温等优势。然而SiC MOSFET的特殊材料、结构以及高开关速度使得开关瞬态过程中器件内部的物理机理更为复杂。传统的SiC MOSFET模型沿用了部分硅（Si）器件的建模方法,难以准确评估器件在装置中的动静态特性。为此,该文提出一种基于物理的SiC MOSFET改进电路模型。基于器件的工作机理,分析传统SiC MOSFET模型的不足,并针对不足进行改进建模。电流扩散方式是影响SiCMOSFET静态特性的重要因素,由于器件N-漂移区较窄,导致漂移区电流扩散呈梯形,进而对漂移区电阻进行改进建模。SiC MOSFET开关瞬态模型刻画了器件的高频应用特性,基于突变结、穿通特性以及负电压关断分别对器件结电容进行改进建模。最后基于CREE 1 200V/325A的SiC MOSFET器件进行实验,仿真与实验具有较好的一致性,验证了改进模型的准确性。     

SiC功率器件的开关特性探究

与Si功率器件相比,SiC功率器件因其阻断电压高、开关频率高和工作温度高的性能特点,显示出广阔的应用前景。本文分析了SiC肖特基二极管和SiC MOSFET的开关特性,重点研究其与Si功率器件的特性与应用差异。设计制作了基于Buck变换器的测试实验样机,分别采用Si功率器件和SiC功率器件进行测试,对测试结果进行了对比分析。实验结果验证了文中分析的开关特性差异,从而为SiC功率器件的优化选择和应用提供了一定依据。     

SiC MOSFET与SiC SBD换流单元瞬态模型

相较于硅(Si)器件,碳化硅(SiC)器件所具有的高开关速度与低通态电阻特性增加了其瞬态波形的非理想特性与对杂散参数影响的敏感性,对其瞬态建模的精度提出更高的要求。通过功率开关器件瞬态过程的时间分段、机理解耦与参数解耦,突出器件开关特性,弱化物理机理,简化瞬态过程分析,建立基于SiC MOSFET与SiC SBD的换流单元瞬态模型。理论计算结果与实验结果对比表明,该模型能够较为精细地体现SiC MOSFET开关瞬态波形且能够较为准确地计算SiC MOSFET开关损耗。该模型参数可全部由数据手册提取,有较强的实用性。     

SiC MOSFET开关特性及驱动电路的设计

与硅(Si)功率器件相比,碳化硅(SiC)功率器件的掺杂浓度更高,禁带更宽,在高电压下导通阻抗更小,因此应用于大功率场合可以提高开关频率,减小变换器体积重量。根据SiC MOSFET的开关特性,设计了一种SiC MOSFET的驱动电路,采用双脉冲电路对其开关时间、开关损耗等进行了实验测量,分析了不同阻值驱动电阻对SiC MOSFET模块开关时间和开关损耗的影响。     

1200V碳化硅MOSFET与硅IGBT器件特性对比性研究

搭建了输出特性测试电路、漏电流测试电路、双脉冲测试电路和Buck电路,对1 200 V SiC MOSFET和Si IGBT的输出特性、漏电流、开关特性和器件损耗进行了对比研究,分析了SiC MOSFET的主要优缺点。分析结果表明,SiC MOSFET在高温条件下依然拥有稳定的阻断能力;在同样的工作条件下,SiC MOSFET损耗更小,适合在高频率、大功率场合下使用;SiC MOSFET的跨导低,导通电阻大,所以门极驱动电压需要比较大的摆幅(-5/+20 V);由于开关速度很快,SiC MOSFET对线路杂散参数更加敏感。     

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。     

SiC MOSFET开关损耗测试方法研究

准确测量金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor,MOSFET)开关损耗,是正确评估碳化硅(silicon carbide,SiC) MOSFET开关特性、优化驱动电路、降低损耗的前提。由于SiC MOSFET具有较高的开关速度,传统的双脉冲测试方法存在测量延时、高频振荡等问题,导致损耗评估这一在Si IGBT时期并不严重的问题在SiC时代更加凸显。该文首先对理想开关过程进行分析,提出一种由开关时序特征来校准测量延时的方法,并考虑到实际开关过程中寄生参数的影响,对延时校准方法进行改进;其次分析开关暂态过程中的高频振荡,提出一种计算高频振荡产生附加开关损耗的方法,在保证器件安全的前提下,通过综合开关损耗最优原则对驱动电路参数进行筛选;最后以一款自主封装的全SiC MOSFET功率模块为例,对测试方法进行评估验证,设计结果应用于一款车用驱动控制器,和相同功率等级的Si IGBT控制器进行测试对比,证明文中方法的正确性和实用性。