串联SiC MOSFET驱动研究

发布时间：2020-05-22 01:36

【摘要】：过去的数十年中,硅基功率器件一直在电力电子领域发挥着至关重要的作用。但目前受限于其物理特性,硅基技术已经难以满足日渐增长的功率器件在功率密度和工作频率等方面的性能需求。第三代半导体器件材料SiC由于其卓越的材料性能(高热导率和高迁移率),是取代Si的理想功率器件材料。目前SiC MOSFET已经进入市场,并因其阻断电压高,开关速度快,导通损耗小及耐高温而备受关注。目前SiC功率器件的性能仍受到材料和工艺的限制,商用的SiC MOSFET分立器件规格一般为1700V/40A。这些器件仍不能满足中压变换器的耐压要求。为了提高电压应用范围,可以将SiC MOSFET串联以提高可承受的电压。但是器件参数差异和电路不对称将造成串联SiC MOSFET电压分布不均,威胁电路的安全工作。因此串联SiC MOSFET需要实现动静态电压均衡,以避免器件过压击穿。SiC MOSFET静态均压比较容易实现,最简单的方法是在每个MOSFET漏源旁并联均压电阻。但由于SiC MOSFET的开关速度极快,动态电压均衡实现的难度较大。因此,串联SiC MOSFET应用中最重要的是实现动态电压均衡。本文首先阐述了国内外串联功率器件的研究现状并分析了各种方法的优缺点。随后分析了SiC MOSFET的开关特性和影响串联SiC MOSFET电压均衡的各项因素。通过仿真分析确定了影响动态均压的关键因素。在此基础上本文提出了一种基于钳位电路的新型串联SiC MOSFET拓扑结构。该结构可以有效的避免串联SiC MOSFET动静态过压的发生。基于钳位电路的新型串联SiC MOSFET拓扑结构简单,可以实现多个SiC MOSFET串联。本文分析了钳位电路的工作原理和元件参数取值要求。二极管和电容钳位电路可以确保SiC MOSFET漏源电压不超过钳位电容的电压,从而避免SiC MOSFET过压击穿。为了控制钳位电容电压,本文设计了钳位辅助电路和能量回收电路。从需求和特点出发,选择了双管反激式电路作为能量回收电路。该电路用于控制钳位电容的电压同时将由于钳位作用而累积的能量回收再利用。随后分析了能量回收电路的工作原理。其控制策略为在钳位电容电压超过预定值时,能量回收电路将开通。钳位电容向能量回收电路放电,电容电压随之降低。而这部分由于钳位而累积的能量将传输回母线电容。本文针对串联SiC MOSFET主电路和能量回收电路的各自驱动需求,设计了相应的变压器隔离驱动电路。分析了其工作原理,得到驱动电路中各元件的具体参数要求。利用Cadence Pspice软件仿真了所设计的串联SiC MOSFET拓扑结构,通过串联3个1200V SiC MOSFET实现2800V串联SiC MOSFET模块。仿真中测试了变压器隔离驱动电路的功能。验证了串联SiC MOSFET主电路,钳位电路和能量回收电路的正常工作。仿真结果证明串联SiC MOSFET拓扑结构可以避免串联SiC MOSFET动静态过压的发生。本文基于Altium Desinger绘制了样机PCB版图并制作了整体样机。对驱动电路、钳位电路和能量回收电路进行了功能测试。测试结果表明各电路功能与仿真一致,证实了该串联SiC MOSFET拓扑结构的可行性。
【图文】：

分布图,阻断电压,碳化硅,功率器件

Baliga 品质因数 1 15 204 219目前 Si IGBT 作为具有代表性的硅基半导体器件，广泛应用于中压或低压功率变换器中。图1.1为硅和碳化硅功率器件应用时阻断电压的分布图[2]。相比于 Si IGBT和 Si MOSFET，SiC MOSFET 具有耐高温，耐辐射，工作频率大，功率密度大等优点，，被认为将在未来取代 Si IGBT 并广泛应用于中压功率变换器中[3]。经过 30 多年的发展，Si IGBT 在材料和工艺上已经都已经相当成熟，目前已经实现了 6500V/100A 的1

波形,波形,关断,漏源电压

DS波形如图1.2所示三个 MOSFET 直接串联作为功率开关而不采取其他措施，假设各器件的栅极驱动信号延迟不一致。在 MOSFET 关断过程中，M3 的关断延迟最小并在其他器件之前关断，其漏源电压将迅速上升，并在关断后最终承受更大的漏源电压。如果栅极信号延迟差异过大，将导致较大的 VDS3过冲，严重时就会导致过压击穿而损坏器件。同理，在开启过程中，M3 先开启并导致 VDS3开启下降。而这时 VDS1和VDS2将上升以承受母线电压。由于 M1 较大的开启延迟，同样存在发生过压击穿的可能。对于 SiC MOSFET
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

【参考文献】