SiC双极型功率半导体器件低功耗驱动技术研究

发布时间：2020-06-19 03:05

【摘要】：近年来,Si基功率半导体器件经过长足的发展,其整体性能已趋于硅材料的极限,但该类器件的局限性已经成为制约电力电子技术未来发展的瓶颈之一。而SiC功率半导体器件可以更好地弥补Si基功率半导体器件在大电压量级和大功率方面的缺陷,因此SiC功率半导体器件已经引起了业内广泛的关注。本文的研究目的主要是设计出能够快速驱动SiC GTO开通与关断的低功耗驱动电路。研究的重点不仅是追求极高的驱动电流上升率与下降率,而且在SiC GTO导通期间关断门极驱动电流,较大限度地降低功耗。首先,从SiC功率半导体器件的发展概况出发,阐述了SiC功率半导体器件的诸多优良特性和在涉及电力电子领域的现代电力系统中的应用。然后,针对具有代表性的SiC BJT和SiC GTO双极型功率半导体器件在基本结构、工作原理和工作特性方面分别进行了介绍,并结合典型的电流型驱动电路,提出了低功耗驱动电路的设计思想。根据电路设计思想对基本器件进行了分析和选型,在已设计驱动电路的基础上,提出了低功耗驱动电路的整体设计方案:选用霍尔传感器作为SiC GTO主回路信号采集器,利用CMOS反相器输出高阻态的特性将NMOS作为开关元件,并采用反馈回路来控制驱动电路的通断。在低功耗驱动电路整体方案的基础上,对三种控制电路的设计方案进行了理论分析和验证性测试。第一种是基于PMOS场效应管的控制电路设计方案,在1.5kHz下,关断驱动电流的时间占据整个开通时间的比例约为35%;第二种是基于多个MOS场效应管的控制电路设计方案,在1.5kHz下,关断驱动电流的时间占据整个开通时间的比例约为75%;第三种是基于运算放大器的控制电路设计方案,在1.5kHz下,关断驱动电流的时间占据整个开通时间的比例约为65%。三种电路设计方案均可在不同程度上降低驱动电路开通期间的功率损耗,尤其是基于运算放大器的控制电路拓扑结构最简单,因而理论上具有较高的可靠性,并且提供的驱动电流从0到200mA所需的时间约为20ns。因此本文在电路结构的拓扑原理上验证了能够达到快速开通与关断SiC GTO并降低驱动电路功耗的目的。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN303
【图文】：

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/5A 的 SiC DMOSFET 功率模块，耐压为 15kV 的 SiC MO IGBT 功率模块，耐压高达 21kV 的高压 SiC BJT，耐压 15k以及耐压达 22kV 的 SiC ETO 功率模块等[6-12]。电子器件领域，SiC 半导体器件是继 Si 基半导体器件后一器件因具有较低的导通损耗和开关损耗，在半导体器件领域件。另外，随着基于 SiC 材料的新型器件不断被研发及其定能开发出在电力系统高压领域中的全新应用，这对电力了非凡意义[13]。功率半导体器件实际的应用率半导体器件凭借自身的优良特性使得应用范围不断扩大领域的同时，还可以应用于提高电力系统和军用武器装备统中，电力电子器件及其装置应用十分普遍，尤其是在新流输电系统、微网及其分布式发电系统、直流固态断路器

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（a）光触发模块（b）光触发 SiC GTO 的测试封装图 1.2 光触发模块示意图以及测试封装图目前，国内外对 SiC GTO 的研究主要集中于其电气参数方面，包括正向阻断电压和动态开关特性，以及针对 SiC GTO 进行损耗性评估[29-31]，文献[32]中首介绍了一种基于 2.6kV SiC GTO 的光学触发方式，这种门极驱动方式是在 SGTO 器件生产时，通过在 GTO 的阳极和门极间配置 19 个阳极射线管方式实现对SiC GTO 大约 600ns 的导通时间。文献[33]中介绍了一种基于 12kV，100A SiC GT的光学触发方式，图 1.2 是相应的光触发模块示意图以及测试封装图。如图 1（b）所示，该光学触发模块时封装在 GTO 中，通过在 SiC GTO 的门极和阴极之间并联一个小的光触发导流晶闸管(2.2mm×2.2mm)为 SiC GTO 提供一个导通的电流，首次证明了 SiC GTO 在光触发下具有 70ns 的快速开启时间，不过这种触发方式对工艺的要求高，电路复杂，集成难度高，是一种新型的驱动电路与 SGTO 的集成技术，并不适用于常规的 SiC GTO 驱动。传统的 Si 基 GTO 驱动方式一般为开环不控方式，即设定固定的直流驱动电流，这种方式会造成驱动损耗增

【参考文献】