串联碳化硅MOSFET建模及驱动技术研究

发布时间：2020-05-22 19:57

【摘要】：近年来,电力电子技术得以迅速发展,在电力工业中扮演日益重要的角色。尤其是在新能源大规模接入电网,柔性交、直流输电广泛使用的今天,电力电子设备在电力系统中的使用越来越普遍。功率半导体器件作为电力电子变换器的核心,其参数将直接影响电力电子设备的性能。目前,以绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)与金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)为代表的硅基半导体功率器件已经经历数十年的发展,其性能指标已经接近硅的物理极限,难以实现进一步的突破。为了实现半导体功率器件性能的进一步提高,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料进入了人们的视野。碳化硅半导体功率器件作为第三代电力电子器件之一,具有传统硅功率器件不可比拟的优势。碳化硅材料相对于硅材料,具有更高的绝缘击穿场强,更快的电子饱和漂移速率和更好的导热性能,这使得碳化硅功率器件有着更高的额定电压、更快的开关速率和更低的开关损耗等优势。在众多碳化硅功率器件中,以碳化硅MOSFET最具代表性。碳化硅材料的使用大大提升了 MOSFET的额定电压,然而尽管如此,目前商业化碳化硅MOSFET的额定电压最高仅为1700V。这限制了碳化硅MOSFET在中低压配网以及新能源并网发电中的应用。为此,碳化硅MOSFET直接串联技术应运而生。碳化硅MOSFET高速的开关过程为其直接串联的使用带来困难。为了更好地利用串联碳化硅MOSFET技术,本文主要研究和讨论了以下问题:(1)分析了碳化硅功率器件的优势以及发展现状,并且讨论了不同种类开关器件的工作特性以及其在电力电子变换器中的应用现状。综述了直接串联碳化硅MOSFET模型以及其驱动技术。(2)分析了功率碳化硅MOSFET的电路模型,讨论了其结电容非线性的分段线性化处理方法,以及碳化硅MOSFET寄生电感对开关过程产生的影响。另外本文给出了串联碳化硅MOSFET的测试电路,并且介绍了测试电路的各个组成部分。(3)定性分析了串联碳化硅MOSFET的关断瞬态,并且重点讨论了碳化硅MOSFET结电容的非线性和续流二极管结电容的存在性对串联碳化硅MOSFET关断时电压上升瞬态的影响。在定性分析的基础上,对串联碳化硅MOSFET关断瞬态进行了定量的计算与推导,给出了电压上升过程的转换速率表达式。另外,本文也讨论了串联碳化硅MOSFET关断过程中沟道电流下降至0的现象,以及此现象对本文的分析产生的影响。(4)提出了一种基于延迟线的主动延迟控制均压驱动电路,此电路可以以0.15ns为步长调整驱动信号的延迟时间,使用闭环控制实现串联碳化硅MOSFET关断时的电压均衡。本文详细讨论了此驱动电路基本工作原理和系统设计。(5)为了验证本文对串联碳化硅MOSFET关断上升瞬态的分析以及主动延迟驱动技术的效果,分别设计搭建了实验验证平台。实验结果验证了本文对串联碳化硅MOSFET上升瞬态分析的准确性和本文所设计主动延迟控制驱动的有效性。
【图文】：

碳化硅作为宽禁带半导体材料相比于硅材料拥有以下多项物理上的优逡逑势：逡逑（１）禁带宽度大。相比于硅材料，碳化硅的禁带宽度是硅材料的３倍，逡逑这提高了碳化硅功率器件的耐压水平，降低了器件的漏电流。逡逑（２）临界电场强度高。碳化硅的临界电场强度是硅的１０倍左右。临界逡逑电场强度的提高可以大幅降低器件的导通电阻，从而降低了器件导通损耗。逡逑因此，在相同的功率等级下，，碳化硅器件的导通损耗明显低于硅器件的导通逡逑损耗。逡逑（３）电子饱和漂移速率高。碳化硅的电子饱和漂移速率是硅的两倍。逡逑高电子饱和漂移速率能提高功率器件的开关速度，进而提高开关频率。较高逡逑的开关频率可以减小滤波器的体积，提高系统的功率密度。逡逑（４）最大工作结温高。碳化硅器件的最高工作结温可以达到６００°Ｃ，然逡逑而硅材料器件仅能达到１７５°Ｃ。较高的最大工作结温可以降低散热器的设计逡逑

逦＞｜逦汉笱的热性能逦｜逦＾邋冷邙系统ｗ求低逦—逡逑系统邋ｍ邋海逡逑图１－２碳化硅功率器件的优势逡逑１．２碳化硅器件研究与应用现状逡逑自从首只商业化碳化硅肖特基势垒二极管上市以来，目前己有多种半导逡逑体功率器件出现。图１－３为碳化硅功率器件的发展历程。截至２０１５年，基逡逑于碳化硅材料的肖特基势垒二极管（ＳＢＤ）、结势垒肖特基二极管（ＪＢＳ）、逡逑场效应管（ＦＥＴ）均己有商业化产品出现，绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）也逡逑已经有少量产品出现。下面就目前应用最为广泛的碳化硅肖特基势垒二极管逡逑和碳化硅场效应管的应用现状做简要介绍。逡逑Ｗｏｌｆｓｐｅｅｄ邋Ｗｏｌｆｓｐｅｅｄ邋１．７ｋＶ逡逑Ｗｏｌｆｓｐｅｅｄ邋ＳｉＣ逦Ｉｎｆｉｎｅｏｎ邋ＳｉＣ逦Ｉｎｆｉｎｅｏｎ邋ＳｉＣ邋ＭＯＳＦＥＴ邋Ａｌｌ邋ＳｉＣ邋ｍｏｄｕｌｅｓ逡逑ＪＢＳ邋ｄｉｏｄｅ逦ｄｉｏｄｅ邋ｉｎ邋ｍｏｄｕｌｅｓ逦ＳｉＣ邋ＪＦＥＴ邋ｊ逦ｊ逡逑Ｉｎｆｉｎｅｏｎ逦Ｉｎｆｉｎｅｏｎ逦Ｓｅｍｉｓｏｕｔｈ逦ＲＯＨＭ邋Ｗｏｌｆｓｐｅｅｄ逡逑ＳｉＣ邋ＳＢＤ逦ＳｉＣ邋ＪＢＳ邋ｄｉｏｄｅ逦ＳｉＣ邋ＪＦＥＴ逦ＳｉＣ邋ＭＯＳＦＥＴ邋Ａｉｌ邋ＳｉＣ邋ｍｏｄｕｌｅｓ逡逑Ｉ邋%迹浚″澹慑澹驽澹慑澹

本文编号：2676525