基于碳化硅功率器件的高频感应焊机设计

高频感应焊机可用于钢管直缝焊接,主要特点为开关频率高和设备功率大,功率器件为硅MOSFET和硅快恢复二极管。由于硅基功率器件的特性限制,高频感应焊机的效率、容量和成本受到了一定制约。随着碳化硅功率器件技术的不断成熟,其性能特点尤其适用于大功率高频感应焊机设备。通过对硅和碳化硅功率器件参数进行对比分析,使用碳化硅功率器件对现有串联型高频感应焊机主电路进行优化,并设计了适用于多器件并联的SiC MOSFET驱动电路和功率单元。最后,搭建了1台100 kW/500 kHz的SiC MOSFET串联型高频感应焊机样机,进行实验测试。实验结果表明,所设计的高频感应焊机性能和焊接效率均高于现有设备。     

针对碳化硅器件的高频逆变器缓冲电路设计

由于大功率、高频高温等运行环境的需求,碳化硅(SiC)器件成为新一代半导体器件的代表,但其尖峰问题一直制约着这一新型器件的发展。以SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)为研究对象,着重从逆变器中运用SiC器件的方面来进行尖峰问题的研究,分析了SiC MOSFET在开关过程中产生尖峰和振荡的原因,通过增加RC缓冲电路的方法对SiC的尖峰和振荡问题进行优化,结果证明RC缓冲电路可以降低SiC器件产生的尖峰和振荡。通过多组实验进行数据曲线的拟合,确定了RC缓冲电路中缓冲电容与缓冲电阻的关系表达式。     

基于碳化硅的三相并网逆变器软件设计

新能源发电是当今社会的热点,随着化石燃料的日益枯竭,光伏发电无疑是其中很好的能源替代方案。光伏逆变器是光伏发电中的重要一环,能够将光伏阵列发出的直流电转为交流电输入电网。同时光伏逆变器的效率和性能对光伏发电系统至关重要,高效稳定的逆变器可以将更多的太阳能转化为电能并稳定的持续发电,对节能减排建设环保型能源系统有很大帮助。文中主要进行100 kW三相并网逆变器的软件设计,包括进行电流调节器的设计以及在MATLAB上进行主电路模型的搭建并进行验证,最后证明由于相同损耗下SiC MOSFET的开关频率比Si IGBT更快,所以动态响应更快,能够具有更好的性能。     

改进型碳化硅MOSFETs Spice电路模型

在高温、高压和高频的电力电子应用中,碳化硅(SiC)MOSFETs展现出了巨大的潜力。为了在宽温度范围内更准确地反映SiC MOSFETs的转移特性,提出了一种简化的含温控电源的SiC MOSFETs的Spice电路模型。温控模型的引入补偿了器件在宽温度范围内阈值电压的变化率和跨导系数,在LTspice电路仿真软件中模拟了SiC MOSFETs在25℃和125℃下的转移特性。与现有的模型相比,仿真结果与实测数据的吻合度得到了进一步的提高。     

基于分立器件并联的高功率密度碳化硅电机控制器研究

新能源车用的电机控制器通常通过大功率模块来完成,但大功率模块一般成本比较高,体积比较大,资源也有限。该文基于SiC MOSFET分立器件并联设计了一种高功率密度电机控制器,为了从电气和散热角度最大程度地提升材料和空间利用率,实现高功率密度以及分立器件的良好动静态均流,设计了一种新型的电子系统结构,并提出了一种能动态平衡并联MOSFET电流的高抗扰驱动电路以及可实现低寄生电感、大电流以及高散热的适合分立器件并联应用的新型印制电路板（PCB）叠层母排设计方法。提出的电路及方法既有利于实现并联器件的动静态均流,又可以减小寄生电感造成的影响,还可以有效抑制负向串扰电压。对基于上述研究成果开发出的碳化硅电机控制器,经过双脉冲及功率实验,结果表明,设计的分立器件并联控制器并联均流效果好、散热好、功率密度高,在风冷的条件下,实现了效率最高为99.5%,功率密度为60 kW/L,可应用到新能源整车系统中。     

碳化硅MOSFET特征参数随温度变化的比较研究

通过对Cree公司三代SiC MOSFET样品在-160~200℃温度下进行测试,提取出每代器件在不同温度下的阈值电压、导通电阻等特征参数。分析比较了三代产品阈值电压、导通电阻随温度的变化趋势,以及不同温度下导通电阻与栅极电压的关系。运用建立物理模型的方法,对三代产品阈值电压、导通电阻各组成部分与温度的关系进行了比较研究。解释了SiC MOSFET的阈值电压的温度变化率随产品更新而逐代降低的原因,是栅极SiO₂/SiC界面存在的陷阱密度在逐代地下降。通过TCAD仿真拟合转移特性随温度的变化,验证了新产品的界面态密度的降低,同时佐证了SiC MOSFET的技术水平在近几年有显著提升。     

100kW碳化硅三相并网逆变器设计

随着人们环保意识的不断提高,传统的化石能源越来越无法满足人们的要求,以太阳能为代表的可再生新能源逐渐引起人们的关注。而并网逆变器作为新能源与电网连接的关键一环,其性能对于整个电网系统都起着至关重要的作用。传统的光伏并网逆变器通常采用IGBT器件,但由于该种器件的开关速度受到电导调制效应影响,使得逆变器的开关频率难以提高,这就限制了光伏逆变器效率和功率密度的提升。与传统的Si器件相比,基于SiCMOSFET器件的耐压更高、导通电阻更低,并且器件结电容、门极电荷量更小,所以可以达到更快的开关频率,利于提高效率。文中主要进行了碳化硅三相并网逆变器的硬件电路设计,包括主电路参数的设计以及驱动电路的设计,并在MATLAB上进行开环仿真验证。从损耗分析的角度说明了SiC器件相比于Si器件的优势,得出了SiC器件在相同损耗下的开关频率更高的特点。     

碳化硅MOSFET器件特性的研究

由于材料性能的不同,碳化硅MOSFET与硅MOSFET在电气特性方面存在一些显著差异,不能简单地将硅MOSFET直接替换为碳化硅MOSFET。为了准确地掌握碳化硅MOSFET在实际应用中的工作特性,利用双脉冲测试电路对器件特性进行了研究,重点对通态特性和开关特性进行了分析、总结,实验结果可对基于碳化硅MOSFET的变换器优化设计提供指导。     

SiC器件对并网逆变器EMC特性和效率的影响

近年来,宽禁带器件SiC MOSFET在并网逆变器邻域已经取得了越来越多的关注。首先,讨论了SiCMOSFET三相并网逆变器EMC模型的建立,并通过分析噪声源的模型进行等效替代,结合逆变器损耗对于噪声传导路径的阻尼作用,得到了SiC逆变器的EMC仿真模型和理论模型;然后,通过逆变器平台实验的结果与仿真模型和理论模型的结果进行了对比,验证了模型的可行性;最后,通过实验比较了沟道栅SiC逆变器、平面栅SiC逆变器和Si IGBT逆变器3者在相同开关频率下的传导干扰和不同开关频率下的满载效率。     

基于内置温度传感器的碳化硅功率模块结温在线提取方法

碳化硅(SiC)MOSFET具有耐压高、开关速度快、导通损耗低等优点,将越来越广泛地应用于高效、高功率密度场合.在这些应用场合中,SiC MOSFET面临着严峻的可靠性考验,而结温的在线准确提取是实现器件寿命预测和可靠性评估的重要基础.该文提出一种基于功率模块内置负温度系数(NTC)温度传感器的器件结温在线提取方法.首...     

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。     

新型碳化硅双极结型晶体管自适应驱动电路

将几种典型的传统双极结型晶体管(BJT)驱动应用于碳化硅(SiC)BJT,并对其功耗、开关速度进行比较,在此基础上对其参数进行优化,最后提出了一种SiC BJT的新型自适应驱动,通过建立从集电极电流到基极电流的正反馈,基极电流能等比例地跟随集电极电流,使得电流增益系数保持稳定,简化了驱动电路并提高了电路的响应速度,同时大大降低了轻载时基极稳态驱动功耗。通过斩波电路的实验结果表明,自适应驱动方式稳态功耗仅为恒定基极电流驱动方式稳态功耗的30%左右。     

Improved Performance of Stair-Stepping Buffer-Gate 4H Silicon Carbide Metal Semiconductor Field Effect Transistor

Abstract

The 4H SiliconCarbide metal semiconductor field effect transistor (4H-SiC MESFET) with a buffer layer between the gate and channel (BG) is optimized and a new stair-stepping buffer-gate structure (SBG) is proposed for improving the breakdown characteristics. The terminal technology of breakdown point transfer (BPT) is applied in 4H-SiC SBG-MESFET in order to scatter the electric field lines and transfer the breakdown point. The breakdown mechanism is further investigated by simulating the surface electric field distribution and electrostatic potential contours. The results show that the breakdown voltage is increased from 120?V to 180?V, improved by the rate of 50% while the current density has hardly deteriorated, and thus the current density is improved from 9.35?W/mm to 13.2?W/mm in comparison with BG structure.     

采用SiC MOSFET与Si MOSFET的双有源桥效率仿真分析对比

通过搭建单管效率仿真模型,从功率损耗角度分析SiC MOSFET相较Si MOSFET的优势。此后结合Ansoft Maxwell有限元分析,建立了适用于给定工况下效率仿真的变压器等效模型。基于双有源桥双向DC-DC拓扑进行效率仿真,对比不同开关频率相同输入输出工况下全负载范围内二者效率差别,总结SiC MOSFET优势所在与适用工况范围。     

桥式电路中不同封装SiC MOSFET串扰问题分析及低栅极关断阻抗的驱动电路

由于SiC MOSFET开关速度较快,使得桥式电路中串扰问题更加严重,这样不仅限制了SiC MOSFET开关速度的提升,也会降低电力电子装置的可靠性。针对SiC MOSFET的非开尔文结构封装和开尔文结构封装的串扰问题分别进行分析,栅漏极结电容的充放电电流和共源寄生电感电压均会引起处于关断状态开关管的栅源极电压变化。提出一种用于抑制串扰问题的驱动电路,该驱动电路具有栅极关断阻抗低、结构简单、易于控制的特点。分析该驱动电路的工作原理,提供主要参数的计算方法。最后通过实验测试了两种结构封装SiC MOSFET的串扰问题,并且对提出的驱动电路进行了实验,验证了其正确性以及对串扰问题的抑制效果。     

Piezoresistivity in Silicon Carbide Fibers

The polycrystalline -SiC fiber of diameter 14 m (without a carbon core) is piezoresistive under tension, with gage factor 5. The resistivity increases linearly and reversibly with strain in the elastic regime. The fiber of diameter 140 m (with a carbon core) is not piezoresistive, due to the carbon core controlling the electrical resistance.     

碳化硅功率器件

碳化硅材料具有优越的电性能，如高的击穿电场，高的电子饱和速度，大的热导率使其在功率器件方面具有很大的潜力，近年来引起人们的高度关注。 本文将从材料特性，器件工艺和特性，以及国内发展情况几个方面介绍碳化硅功率器件的现状。     

基于SiC材料的高效功率器件——双极结型晶体管的响应特性

作为最受关注的SiC材料之一的双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT),具有特定的低阻抗、快速开关和对温度依赖性小的优点。由于其具有大短路电流、无二次击穿,因而具有可靠的工作性能。本文针对该器件,研究了与实际应用有直接联系的特性,并通过设计的一个驱动器做了减少功率损耗的测试研究。随着光伏系统所面临的降低成本的压力要求,其它的一些节能实验不光是集中在SiC技术上,还包括核心材料方面。基于此目的,在实验室测试了设计的一个额定功率为17kW的逆变器,并给出了结果。