SiC MOSFET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)在高频、高压、大功率场合的研究和应用越来越多,能够提升变流器的效率和功率密度,而短路保护技术是SiC MOSFET驱动电路的关键,对变流器的安全可靠工作尤为重要。首先分析总结了SiC MOSFET短路保护电路的特点,结果表明基于检测漏源极电压的短路保护方法更易于工程实现。在此基础上,针对两种漏源极电压保护电路方案,研究了其参数设计方法,分析了不同故障条件下的延迟时间,并进行实验验证。仿真与实验结果表明,漏源极电压检测方法能对SiC MOSFET进行有效保护,采用比较器和基准电压的漏源极电压保护电路更易于设计,在应用中可靠性和稳定性较高。     

MOSFET开关过程的研究及米勒平台振荡的抑制

设计功率MOSFET驱动电路时需重点考虑寄生参数对电路的影响。米勒电容作为MOSFET器件的一项重要参数,在驱动电路的设计时需要重点关注。重点观察了MOSFET的开通和关断过程中栅极电压、漏源极电压和漏源极电流的变化过程,并分析了米勒电容、寄生电感等寄生参数对漏源极电压和漏源极电流的影响。分析了栅极电压在米勒平台附近产生振荡的原因,并提出了抑制措施,对功率MOSFET的驱动设计具有一定的指导意义。     

三段式门极驱动抑制MOSFET关断过冲振荡的研究

针对电机等感性负载电路中,金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconduc-tor field effect transistor,MOSFET)关断瞬间容易产生高幅值的高频电压振荡,不仅增加了系统的电压应力,还为系统带来严重的电磁干扰的问题,对MOSFET的关断行为进行研究,通过分析低侧功率驱动电路中门极电压对MOSFET关断过程的影响,推导出了关断过冲电压随门极电压变化的关系式;基于分析提出了闭环的三段式门极电压控制方法,并设计了电路,电路在漏极电压首次超过母线电压的瞬间,自动生成一段辅助电平信号,并施加至门极,用以抑制电压过冲和振荡。分析及实验结果表明,该电路简单、灵活、动态响应迅速,可以非常有效的抑制高幅值的高频电压振荡。     

基于通态漏源电压的SiC MOSFET结温估计方法

以通态漏源电压为热敏感电参数(TSEP)来估计碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)模块的结温。首先,将SiC MOSFET模块的通态漏源电阻分为芯片通态漏源电阻和封装电路电阻两部分。当漏极电流在导通电路中流过时,相应产生芯片通态漏源电压降和封装电路电压降,从而得到SiC MOSFET模块的通态漏源电压降的测量及计算方法。其次,分析SiC MOSFET模块的芯片通态漏源电阻和封装电路电阻的温度特性,并得到整个模块通态漏源电阻的温度特性。最后,提取SiC MOSFET模块的通态漏源电阻、芯片通态漏源电阻和封装电路电阻,利用芯片通态漏源电压降和封装电路电压降的温度特性关系得到SiC MOSFET模块通态漏源电压解析模型,该方法可以实现实时监测结温的目的。理论和实验结果证明了该方法的可行性。     

SiC MOSFET三电平变换器无传感器的电流重构

在此根据SiC MOSFET的输出特性提出了一种基于数字信号处理器(DSP)的SiC MOSFET三电平并网变换器无电流传感器的电流重构技术。该技术构建了SiC MOSFET漏极电流与漏源电压的关系,设计了漏源电压检测电路和基于DSP的SiC MOSFET漏极电流重构算法。建立了三电平并网变换器的交流侧相电流以及直流母线电流数学模型,设计了基于DSP的电流重构算法。实验证明了检测电路和重构技术的正确性和可行性。该电流重构技术应用于高压大功率领域上时具有成本低、实现简单的特点。     

基于电流源驱动的MOSFET管损耗模型及分析

对于以电压源方式驱动功率MOSFET管,随着开关频率的提高,其开关损耗将显著增加。以此为切入点对电流源驱动功率MOSFET管进行了研究。在对电流源驱动MOSFET管原理性分析的基础上,通过详细地分析功率MOSFET管的开关过程,建立MOSFET管开关损耗模型,求解得到漏极电流、漏源电压与栅源电压之间关系,证明了电流源驱动在减少开关时间和开关损耗上的优越性。在开关频率为1 MHz、输入电压为12 V、输出电压和电流分别为1.3 V和25 A的低压大电流实验平台上进行了验证,实验结果证明了所提出的MOSFET管损耗模型的正确性。     

提升桥式电路中SiC MOSFET关断性能和栅极电压稳定性的有源驱动电路研究

碳化硅金属氧化物半导体场效应管(siliconcarbide metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor, SiC MOSFET)以其低开关损耗、高工作频率、高开关速度等优点越来越广泛地应用于各类电力电子变换器。然而,电路中寄生电感的存在、过高的开关频率和速度,会使得SiC MOSFET在关断瞬态产生漏极电压尖峰和振荡,严重情况下可造成雪崩击穿;并且加剧栅极电压的串扰(crosstalk)现象。上述问题不仅对半导体器件的安全运行构成威胁,而且会恶化电力电子变换器的高频电磁干扰问题。为此,文中首先分析SiC MOSFET关断过程瞬态电压尖峰和振荡以及串扰的形成机理,并在此基础上提出一种基于dv/dt检测的提升SiC MOSFET关断性能和栅极电压稳定性的有源驱动电路。该驱动电路通过检测关断过程中漏极电压上升的斜率,在漏极电流下降阶段抬升栅极电压,从而抑制漏极电压尖峰和振荡;在串扰发生阶段构造低阻抗回路来有效抑制栅极的串扰尖峰。实验结果表明,所提有源驱动电路不仅能够有效抑制SiC MOSFET关断过程漏极电压的尖峰和高频振荡,而且能够有效抑制栅...     

现代功率模块及器件应用技术（5）

5 功率模块的参数。5．1 功率MOSFET模块。5．1．1 最大定额。1)漏源电压VD。MOSFET芯片中，漏源极间的最大允许电压。此时，栅源回路为开路或有接入电阻。     

寄生电感对于功率MOSFET开关特性的影响

分散在MOSFET栅极、源极、漏极的寄生电感由于封装以及印制电路板（PCB）走线,改变了MOSFET的开关特性。通过仿真分析对比,指出MOSFET寄生电感存在如下特性：源极电感对栅极驱动形成负反馈,导致开关速度变慢,采用开尔文连接,可以将栅极回路与功率回路解耦,提高驱动速度;在米勒效应发生时刻需要合理地降低栅极电感来降低栅极驱动电流;漏极电感通过米勒电容影响MOSFET的开通速度,在关断时刻导致电压应力增加;在并联的回路当中,非对称的布局将导致MOSFET之间的动态不均流;当MOSFET在开关过程中,环路电感与MOSFET自身的结电容产生振荡时,可以在电路增加吸收电容减小环路电感,改变振荡特性。     

碳化硅MOSFET结电容模型

针对碳化硅(SiC)MOSFET结电容,提出了一种建模方法。该方法通过统筹考虑寄生电容的物理结构模型、数学模型以及电路仿真模型后优化生成。此处考虑结电容对SiC MOSFET动态特性的影响情况,进而对3种结电容(栅源极电容、栅漏极电容和漏源极电容)进行建模探究,得出适用于SiC MOSFET的非线性结电容模型。最终通过仿真及实验验证,表明该模型具有一定的准确性和合理性。     

AC/DC变换器传导EMI实验分析

开关电源传导EMI问题一直都备受关注,目前国内外的研究主要还是定性研究,而定量的分析可以更加准确细致的找出传导EMI形成的机理。针对两种典型工作状态下的AC/DC变换器,测试得到了其传导EMI的频域波形,MOSFET漏极与源极间电压波形以及提取了电路中的主要寄生参数,通过对比与定量的分析计算,找出了其传导EMI几处重要峰值形成的原因。最后得出了变压器原边与副边漏感、MOSFET源极与漏极间寄生电容以及MOSFET与散热片之间的寄生电容,是影响开关电源的传导EMI的重要因素。在开关器件导通或者关断时,开关电源的工作状态发生改变,此时漏感或者器件的寄生电容中的剩余能量会引起高频振荡,进而引起了传导EMI尖峰。     

基于IGBT的Buck电路共模EMI特性研究

针对IGBT的高du/dt给电力电子装置带来的严重共模电磁干扰(common-mode electromagnetic interfer-ence,CM EMI)问题,深入分析了Buck电路的CM EMI,首先提出了Buck电路的共模电流等效电路,分析了噪声源频谱及其与输入电压、开关频率、开关速度等运行参量间的关系。为弥补理论分析的不足,以实验手段研究了采用IGBT的Buck电路的输入电压、开关频率、负载电流、占空比、驱动电阻等参量对共模EMI的影响。研究表明:共模EMI与占空比无关而与输入电压和开关频率成正比关系。驱动电阻和负载电流均影响开关速度,因而对共模EMI也有影响,其中负载电流的影响与开关器件的开关特性有很大关系。     

直流高压发生器设计中的四个关键问题

为了解决基于开关电源技术的直流高压发生器研制中的关键问题,分别介绍了系统方案设计、开关管驱动电路、缓冲电路和高频升压变压器设计4个关键技术。系统主要由功率部分和控制部分组成,前者用高频逆变和倍压整流的方案,后者采用MCU和CPLD结合的架构;开关管MOSFET驱动电路用A316J实现;RCD网络实现缓冲电路的设计;多槽排绕的方式绕制高频升压变压器。调试结果表明,开发出120kV、5mA输出的直流高压发生器可满足现场试验要求。     

周期频率调制降低开关电源传导EMI的比较研究

利用频率调制技术从噪声产生源头上降低了开关电源传导电磁干扰.分析了频率调制降低EMI噪声的原理,并试制了一台周期频率调制反激变换器电源样机.比较了不同周期调制信号情况下开关管电流信号的频谱以及传导干扰测试的结果.实验结果表明,两种调制信号均能有效降低开关谐波峰值,但是三角波调制信号的扩频效果优于正弦波调制信号.     

低干扰低损耗新型MOSFET三阶驱动电路

由于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)存在开关速度快、驱动容易等特点，故在变流电路中大量使用，但由此而产生的电磁干扰也越来越严重。驱动电路作为功率单元与控制电路的接口，其性能对电磁干扰的影响十分重要。该文在对MOSFET开关暂态过程进行详细地分析后，提出一种新的驱动电路，该驱动电路在不影响开关速度的情况下可以减小电磁干扰及开关损耗，而且该驱动电路与传统驱动电路相比仅需增加几个额外的低压器件，易于实现。文中最后给出了三阶驱动电路与其它几种不同驱动电路开通与关断时的电压电流波形及相应的传导发射。实验结果表明该驱动电路电磁干扰小，功率损耗低，开关速度快，无电压及电流的过冲现象，实现了驱动电路的优化。     

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。     

功率MOSFET的高温特性及其安全工作区分析

简述了功率MOSFET的结构特点及工作原理,从理论上分析了温度对阈值电压、跨导、导通电阻、漏极饱和电流及击穿电压等关键参数的影响.采用ISE软件模拟了不同温度下器件的导通特性和阻断特性,给出了这些参数随温度变化的曲线.最后,分析了温度对功率MOSFET安全工作区的影响,为功率MOSFET的设计和使用提供了参考.     

考虑变温度影响的SiC MOSFET建模与分析

为了准确反映SiC MOSFET在不同温度下的电气特性,对影响SiC MOSFET电气特性的关键参数进行了分析,提出了一种SiC MOSFET等效电路模型。首先,根据SiC MOSFET阈值电压和跨导随温度变化的规律,采用函数拟合的温控电源模型对SiC MOSFET的阈值电压和漏极电流进行补偿;其次,考虑寄生电容与极间电压的关系,采用电容子电路和可变电容模型对SiC MOSFET的寄生电容进行等效模拟,根据SiC MOSFET体二极管对其静、动态特性的影响,利用独立二极管模型描述体二极管特性,进而建立SiC MOSFET的等效电路模型。最后,在不同温度条件下,对该模型进行了仿真并与实验测试结果进行了对比。结果表明所建模型较为准确地描述SiC MOSFET在较宽温度范围内的静、动态特性,验证了模型的有效性。     

高压开关动作特性溯源计量标准装置的研制

笔者设计了一种新型的高压开关动作特性测试仪计量标准装置,能够对高压开关动作特性测试仪进行高效的检定、校准工作。该标准装置基于ARM9和FPGA嵌入式技术,使用COPLEY直线电机模组TBX-2504作为速度产生装置,采用高速功率管作为断口,能够产生高速可控的速度信号以及标准的时间信号。该标准装置的软件操作便捷,人机界面友好。经过国家法定计量机构的校准,该标准装置达到设计要求。     

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。