应用于模块化高压纳秒脉冲源的SiC与射频Si基MOSFET瞬态开关特性对比研究

发布时间：2021-08-27 17:18

　　碳化硅（silicon carbide,SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor,MOSFET）比Si MOSFET具有更低的导通电阻、更高的通流能力和热稳定性。但射频硅（radio frequency silicon,RF-Si）基MOSFET凭借其优异的开关动态特性,在高压纳秒脉冲发生器中的使用比SiCMOSFET更为普及。为了拓展SiC MOSFET的应用范围,通过RF-Si和SiCMOSFET在多脉冲参数条件下瞬态开关特性（动态特性、瞬态开关损耗、时间抖动）的对比研究,该文揭示2种半导体器件在瞬态高压和强流下的开关特性差异。实验结果表明:相对于RF-Si基MOSFET,SiC MOSFET的优势体现在开通、关断时间。但由于寄生参数的影响,SiC MOSFET呈现出更大的振荡和过冲,而在瞬态开关损耗、时间抖动方面没有明显的优势。因此,通过改进SiCMOSFET的封装从而减小寄生参数,将推动SiC MOSFET在高压纳秒脉冲发生器中的应用。 

【文章来源】：中国电机工程学报. 2020,40(06)北大核心EICSCD

【文章页数】：13 页

【部分图文】：

不同充电电压时开通行为对比Fig.7Comparisonofturn-onbehaviorswithdifferentchargingvoltagest(10ns/格)

??LC振荡以及开关寄生电容间耦合作用，会引起Ugs、Uds、iD在关断时刻剧烈振荡，振荡频率如式(22)所示，并且将表现出较大的负向关断损耗。此时关断损耗为：loop-offsaveds1L(CC)(22)878787off.dcD()dttttttEUitt→→(23)6778offoff.ttoff.ttEEE→→(24)4）阶段4(t8—t9)。t8时刻，Ugs电压下降到门限电压Uth以下，漏极电流下降为0。2高压瞬态强流下开关特性对比实验电路如图4所示，被测器件为IXYS公司的RF-Si基MOSFETDE475-102N21A和CREE公司的SiCMOSFETC3M0065100J，电流探头为Pearson公司的6600，带宽120MHz。低压部分测量探头为LecroyPP026400V，带宽500MHz。高压部分测量探头为LecroyPPE6kV，带宽400MHz。控制信号发生装置为美国StanfordResearchSystems超低抖动数字延时触发器DG645。波形记直流电源信号发生器高压电源示波器隔离电源转换脉冲发生部分信号光隔离图4高压瞬态强流下开关特性测试平台Fig.4TestingplatformforMOSFETcharacteristicsundertransienthighvoltageandhighcurrent录示波器为LecroyWavePro760Zi-A，带宽6GHz。实验参数及驱动参数如表2所示。由于高压脉冲幅值达到1kV，实验过程专门设计信号光纤隔离电路和隔离电源转换电路以隔离高压脉冲，从而避免对实验设备的干扰和损坏。表2实验及驱动IC主要参数表Tab.2ExperimentalanddriverICparameters参数数值参数数值驱动型号IXRFD630Udc/V1000UG.on/V15Rcharge/K200UG.off/V

了更高的电流变化率，也增加了振荡和过冲。对于关断损耗，虽然SiCMOSFET震荡和过冲引起额外的损耗，但由于其关断时间快，尤其在较高充电电压条件下，关断损耗明显小于RF-Si基MOSFET。但充电电压较低时，以振荡引起的关断损耗为主，此时其关断损耗比RF-Si基MOSFET大。3.2流经漏–源电流纳秒脉冲发生器由于应用场所不同，其脉冲电流也跟随负载条件改变而变化[5-12]。因此本文控制充电电压恒定1000V，脉冲宽度200ns，探究10~90A电流条件下的开关动态特性变化规律。由图9可知，2种开关在较低电流时，均保持t(10ns/格)RF-SiMOSFETSiCMOSFETUds(200V/格)iD(20A/格)Pon(2.5kVA/格)Ugs(20V/格)图9不同漏–源电流时开通行为对比Fig.9Comparisonofturn-onbehaviorswithdifferentdrain-sourcecurrent

【参考文献】：
期刊论文
[1]SiC MOSFET开关损耗模型[J]. 董泽政,吴新科,盛况.  电力电子技术. 2018(08)
[2]基于极低寄生参数SiC模块的传导EMI噪声抑制[J]. 李宇雄,陈材,康勇.  电力电子技术. 2018(08)
[3]金属丝电爆炸现象研究综述[J]. 张永民,姚伟博,邱爱慈,汤俊萍,王宇,呼义翔.  高电压技术. 2019(08)
[4]全固态高重复频率LTD的性能测试和特性分析[J]. 冯昱,毛越波,罗海云,江伟华.  强激光与粒子束. 2018(04)
[5]新型复合脉冲不可逆电穿孔治疗肿瘤关键技术及临床应用研究进展[J]. 姚陈果.  高电压技术. 2018(01)
[6]电除尘技术发展与应用[J]. 闫克平,李树然,郑钦臻,周靖鑫,黄逸凡,刘振.  高电压技术. 2017(02)
[7]基于Marx电路的全固态纳秒脉冲等离子体射流装置的研制[J]. 董守龙,姚陈果,杨楠,赵亚军,王昌金.  电工技术学报. 2016(24)
[8]基于封装集成技术的高功率密度碳化硅单相逆变器[J]. 李宇雄,黄志召,方建明,陈材,康勇.  电源学报. 2016(04)
[9]碳化硅电力电子器件在电网中的应用展望[J]. 盛况,郭清.  南方电网技术. 2016(03)
[10]神龙二号加速器及其关键技术[J]. 石金水,邓建军,章林文,李劲,夏连胜,陈思富,代志勇,李勤,李洪,赖青贵,禹海军,江孝国,杨安民,黄子平,李远,张篁,李欣,蒋薇,秦玲,刘小平,谌怡,廖树清,谢宇彤,陈德彪,何佳龙,章文卫,朱隽,丁亨松,戴光森,王远,王毅,马冰,王敏鸿.  强激光与粒子束. 2016(01)



本文编号：3366770