SiC MOSFET短路保护技术综述

随着电力电子技术的飞速发展,SiC MOSFET以优异的材料特性在高频、高压、高温电力电子应用中展现了显著的优势。然而,SiC MOSFET较高的开关速度与较弱的短路承受能力对短路保护技术带来了新的挑战。该文首先介绍SiC MOSFET不同短路类型以及短路测试方法;其次对SiC MOSFET短路失效模式及失效机理进行分析;然后详细梳理现有SiC MOSFET短路检测与短路关断技术的原理与优缺点,讨论现有SiC MOSFET短路保护技术在应用中存在的问题与挑战;最后对SiC MOSFET短路保护技术的发展趋势进行展望。     

SiC MOSFET短路特性及过流保护研究

为了提高电力电子装置中SiC MOSFET可靠性,对SiC MOSFET短路特性和过流保护进行研究。首先在不同的母线电压和环境温度下,对处于短路状态的SiC MOSFET的电流IDS和导通压降V₍DS(ON))进行测量和分析,在此基础上设计基于V₍DS(ON))检测的过流保护电路,比较两种消隐电路对保护的影响,实验证明,在消隐电路工作时,较大的充电电流可有效缩短保护时间,但电路功率消耗较大。针对半桥直通短路,根据SiC MOSFET的工作特性,提出一种基于门极电压V_GS检测的直通短路保护方法,将半桥两只SiC MOSFET的V_GS电压于门极阈值电压比较,如果同时超过阈值电压,可判断发生直通短路,实验表明,提出的保护方法具有保护时间快,短路电流小的特点,与V₍DS(ON))检测的过流保护电路配合,可以有效地保护SiC MOSFET。     

SiC MOSFET短路失效与退化机理研究综述及展望

SiC MOSFET可以大幅提升变流器的效率和功率密度,在高频、高温、高压等领域有较好的应用前景。但是,由于其短路耐受时间短、特性退化现象严重以及失效机理模糊等因素,致使SiC MOSFET的普及应用受到了限制。因此,探究SiC MOSFET短路失效与特性退化的机理,可以为SiC MOSFET器件的应用及其保护电路的设计提供指导,具有重要的研究价值。该文首先归纳SiC MOSFET的短路故障类型,并针对其中一种典型的短路故障进行详细的特性分析。在此基础上,论述SiC MOSFET单次短路故障后存在的两种典型失效模式,综述其在两种失效模式下的失效机理以及影响因素。其次,对SiC MOSFET经历重复短路应力后器件特性退化机理的研究现状进行系统的总结。最后指出当前SiC MOSFET短路失效与特性退化的研究难点,展望SiC MOSFET短路特性研究的发展趋势。     

SiC MOSFET串联短路动态特性

在电力电子系统中,因器件击穿、硬件电路缺陷或系统控制失误导致碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)误开通时,桥臂电流回路中多个器件处于开通状态,形成串联短路故障.该文以SiC MOSFET半桥电路为研究对象,详细介绍SiC MOSFET串联短路的动态过程,理论分析负载电流、栅极驱动电压和结温温升对...     

SiC超结MOSFET的短路特性研究

SiC超结MOSFET设计基于N/P柱的电荷补偿效应,在保证耐压的同时具有较低的导通损耗和更快的开关速度,因此对SiC超结MOSFET可靠性的分析研究有助于深入理解器件工作机理,为更好地应用提供必要的理论支撑。基于TCAD Sentaurus模拟软件,对1 200 V电压等级的传统SiC MOSFET结构和SiC超结MOSFET结构进行建模。首先对比了2种器件的基本电学参数,然后重点分析了短路特性差异,在相同短路条件下对器件内部的物理机理进行了分析。结果表明SiC超结MOSFET可以有效地提高器件的击穿电压和导通电阻,同时表现出更好的短路可靠性。进一步分析了不同的偏置电压下SiC超结MOSFET的短路特性,结果表明,随着外部施加偏置电压增加,器件的短路耐受时间减小,同时短路饱和电流也会相应增大。     

单片机在MOSFET短路保护中的应用

目前电动自行车的开发研制在我国很是热门,但其在智能化、安全性和可靠性方面还有一些不足.现在市场上流行的电动自行车其中心控制器采用单片机,调速系统采用PWM调速,在此调速系统中用于驱动的MOSFET管是一个非常重要的器件,如果其烧毁成短路将会使调速系统失去控制,即使电动自行车的车速失去控制,这是目前市场上电动自行车存在的严重的问题.     

一种SiC MOSFET快速短路保护电路研究

碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)具有工作频率高、耐温高、临界击穿场强高和寄生参数小等特点,广泛应用于高功率密度和高开关频率场合。首先总结分析了各种短路过流检测方法,然后基于分流器检测法设计了一款SiC MOSFET短路保护电路,最后简要分析其工作原理,并进行实验验证。实验结果表明,所设计的SiC MOSFET短路保护电路,能在发生短路的1μs内完成保护动作,确保器件的安全运行。     

SiC MOSFET及Si IGBT串联短路动态特性研究

针对因器件击穿、控制失效等问题导致的串联短路现象,基于半桥结构分析了SiC MOSFET及Si IGBT不同的串联短路动态分压特性。同时,结合开关过程中电压、电流的变化分析串联短路分压原理,并在输出特性曲线上标注器件的分压路径。实验结果表明,驱动电压、负载电流、母线电压等外部驱动参数对两种器件串联短路分压特性的影响不同,其中反向负载电流改变了串联短路的分压趋势且对串联短路特性影响最大。充分认识器件的串联短路机理对改进短路保护具有现实意义。     

3 300 V SiC MOSFET栅氧可靠性研究

碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件因其卓越的材料性能,表现出巨大的应用前景,其中金属-氧化物-场效应晶体管MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)是最重要的器件。3 300 V SiC MOSFET可应用于轨道交通和智能电网等大功率领域,能显著提高效率,降低装置体积。在这些应用领域中,对功率器件的可靠性要求很高,为此,针对自主研制的3 300 V SiC MOSFET开展栅氧可靠性研究。首先,按照常规的评估技术对其进行了高温栅偏HTGB(high temperature gate bias)试验;其次,针对高压SiC MOSFET的特点进行了漏源反偏时栅氧电热应力的研究。试验结果表明,在高压SiC MOSFET中,漏源反偏时栅氧的电热应力较大,在设计及使用时应尤为注意。     

基于源极电感检测法的SiC MOSFET短路保护电路研究

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)凭借高工作温度、高开关频率和低导通损耗等优点,被广泛应用于高压、高温和高工作频率场合,但SiC MOSFET的短路耐受时间较小,仅为2～5μs,这对SiC MOSFET的短路保护电路提出了更高的要求.首先总结分析SiC MOSFET短路故障特性,然后基于源极电感...     

大功率IGBT短路保护机理的分析

简述了大功率IGBT短路保护的类型,从IGBT器件本身的输出特性出发,分析了退饱和检测法在短路保护电路中的应用,指出了IGBT的短路承受能力.以CONCEPT公司的SCALE驱动器为例,通过桥臂直通和桥臂相间短路的实验,证实了IGBT退饱和检测法在大功率IGBT短路保护中的有效性,并且对两类短路保护的有效性进行了对比.     

寄生参数对SiC MOSFET栅源极电压影响的研究

为分析寄生参数对开关过程中碳化硅(Si C)MOSFET栅源极电压的影响,首先建立了基于同步Buck变换器的Si C MOSFET开通和关断过程的数学模型;然后通过仿真和实验结果对比,验证了寄生参数带来的影响;最后分析了开关过程中各寄生参数对Si C MOSFET栅源极电压的影响。     

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.     

电力变换装置中短路保护电路的设计

为了使电力变换装置能够安全可靠地工作，在分析其短路保护设计方法的基础上，给出了几种实用的电流保护电路，并对其工作机理进行了详尽的剖析，以便变通使用。     

基于开关轨迹优化的SiC MOSFET有源驱动电路研究综述

随着SiC MOSFET的推广,其开关暂态过程中的超调、振荡以及电磁干扰问题越来越受到人们的重视。有源栅极驱动（AGD）电路作为一种新型驱动电路,已被广泛应用于SiC MOSFET开关轨迹的优化控制。首先,该文分析AGD电路的工作原理,给出不同驱动参数对开关特性的影响;其次,着重探讨阈值触发型AGD电路的工作模式,分别从暂态定位技术、逻辑处理架构和功率放大拓扑三方面对AGD电路进行归纳总结,并评价不同技术的优缺点,给出AGD电路设计的建议流程;最后,展望基于SiC MOSFET开关轨迹优化的AGD电路的发展趋势。     

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。     

压接式SiC MOSFET模块

本文介绍了一种适用于SiC MOSFET的压接式封装方法。针对SiC MOSFET芯片面积较小的特点,使用弹性压针实现SiC MOSFET芯片上表面的压力接触。由于散热器同时也是电流通路,为减小由散热器引入的寄生电感,采用了一种厚度较薄且具有良好散热性能的微通道散热器。本文介绍了研制的压接式SiC MOSFET样品。通过仿真和实验评估了样品的电、热特性,验证了所提出封装方案的可行性。     

大功率SiC MOSFET驱动电路设计

在实际工程应用的基础上,针对50k W/1MHz的高频感应加热大功率SiC MOSFET电路要求及SiC MOSFET开关特性进行开发研究。通过对SiC MOSFET的开通过程特性进行详细研究,得出使其可靠、安全驱动的要求,在现有已经成熟应用的Si MOSFET驱动电路基础上对其进行改进,研究适合工作在兆赫范围内的SiC MOSFET驱动电路。并采用双脉冲实验验证所设计驱动电路的基本特性及确定最佳门极电阻参数。     

SiC MOSFET驱动电路及实验分析

根据SiC MOSFET开关特性,设计了一种SiC MOSFET的驱动电路,在此基础上采用双脉冲测试方法,对SiC MOSFET的开关时间、开关损耗等进行了实验测量,分析了不同驱动电阻对SiC MOSFET开关时间、开关损耗等的影响。     

半桥结构中的SiC MOSFET串扰电压建模研究

SiC MOSFET凭借着低开关损耗、高工作频率与高工作温度点等优点,逐渐在高效率、高功率密度与高温的应用场合取代传统的硅功率器件。然而,在高速开关中带来的栅极串扰现象严重制约SiC器件的开关速度。传统的串扰抑制方法重点关注由栅极–漏极寄生电容引入的干扰电压,往往通过减小驱动回路阻抗的方式来降低串扰电压。该文基于SiC MOSFET器件的开关模态,提出考虑共源电感的分段线性化串扰电压模型。该模型基于器件数据手册及双脉冲实验提取的参数,考虑栅极–漏极电容、共源电感、体二极管反向恢复等非理想因素的影响。对比不同电压点、电流点与电阻值下实验与模型的输出结果。该模型表明,串扰电压是由器件栅极–漏极电容、共源电感与驱动回路阻抗共同作用的结果。单一降低驱动回路阻抗的方式对串扰电压的抑制效果有限。基于提出的模型,该文给出串扰电压抑制的指导方法,可直接用于SiC MOSFET驱动电路的设计。