大功率SiC MOSFET并联主动均流方法研究

发布时间：2020-06-05 12:33

【摘要】：近年来,以碳化硅(SiC)为代表的第三代宽禁带半导体器件成为研究热点,其中SiC MOSFET以其优异的特性有望在高压、高频、高温应用中取代SiIGBT,满足更高功率密度的应用需求,本文从SiC MOSF ET的驱动电路设计出发,主要针对大功率SiC MOSFET的并联主动均流方法进行了研究。首先,本文介绍了SiC MOSFET的器件结构和开关特性,为了优化SiC MOSFET的开关波形,将开关过程细分为多个阶段,对其分阶段精细化控制,提出了一种可变栅压门极驱动结构,该方法可以在几乎不影响开关时间的情况下,改变开关过程中的电流、电压变化率,从而降低开关过程中的电流、电压尖峰。然后,为了实验分析和并联应用,利用SolidWorks和ANSYS Q3D软件对器件并联的结构进行了设计和仿真,得到对称的并联结构。同时,本文从器件、驱动回路和功率回路三个层面,系统地分析了SiC MOSFET在并联应用中影响电流均衡的因素。接着,在可变栅压门极驱动结构的基础上,提出了一种基于di/dt电流检测的栅压延时补偿和切电压补偿相结合的主动均流方法,前者使并联电流变化沿同步,后者用于调节电流变化斜率及尖峰,阐述了它的工作过程并进行了均流控制的仿真分析,初步证明该方法可行。搭建双脉冲和短路测试实验平台,证明可变栅压门极驱动结构可以有效优化开关波形,并在短路情况下安全关断器件;同时,搭建并联实验平台,实验分析了不同参数对SiC MOSFET并联电流分配的影响以及不同工况下的均流情况。最后,针对SiC MOSFET的并联不均流情况,采用本文的均流方法对其进行改善,在开通过程中,改善前电流尖峰有60A的差距,延时补偿后电流尖峰差距减小到40A左右,切电压补偿后并联电流大体相同;关断过程中,改善前电流差异达到40A,延时补偿后波形几乎重合,从而验证了本文的主动均流方法可以改善并联电流不均的情况。
【图文】：

材料,提升带,高温应用,饱和漂移速度

近年来，以碳化硅（Silicon Carbide，SiC）为代表的第三代为器件性能的大幅提升带来了机遇。大家普遍认为 SiC 材料是压和高温应用的综合性能最优越的材料[1]。随着 Cree 公司向级的 SiC MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Tr于汽车的 SiC MOSFET 和 SiC 二极管也有了很大的市场，行业带半导体将有很好的市场前景。Yole 预测到 2023 年 SiC 功率14 亿美元[2]。所示，SiC 材料与 Si 材料相比，具有高能带、高饱和速度、高特性，是高频、高温、高功率密度场合的理想选择。SiC 材料 3 倍，这决定了 SiC 器件可以承受更高的电压，同时，由于禁带流子浓度低，高温下的稳定性更好；SiC 材料的临界击穿电场以作为高压大功率器件；SiC 材料的饱和漂移速度更高，更适导率约为 Si 的 2~3 倍，可以满足温度更高的应用场合，减小功率密度。得益于 SiC 材料的固有特性，新一代 SiC 功率器件高了工作温度。

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可以获得更高的功率密度、更具优势。用需求器件已进入应用推广和大规模商业化阶段，其电网、航空航天、新能源发电和轨道交通等领域统应用中人们关注的重点[3]，SiC MOSFET 作为第低饱和压降和低开关损耗的优良特性，让我们离目味着同等电压等级的功率器件，它可以做的更小成本和体积；开关频率的提高则可以提高系统的运器件的体积。目前 SiC 器件广泛应用于风力发电、太阳能发电据中心等场合。新能源电动汽车代表着环保、代表池技术、充电技术的高速发展，电动方程式也随造商在未来 5 到 10 年内采用碳化硅[2]。总的来说低损耗等优点，它必然会克服 Si IGBT 在高频大高压电力电子系统的首选功率器件。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386

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