1.2kV碳化硅器件开关性能比较与应用研究

发布时间：2017-08-29 06:07

  本文关键词：1.2kV碳化硅器件开关性能比较与应用研究

  更多相关文章： 碳化硅 MOSFET BJT 开关损耗 硬开关 软开关

【摘要】：随着全球能源的不断开发和利用,能源的高效利用越来越受到人们的关注,传统的硅基器件在大功率装置中的转换效率不断提升,目前传统开关器件已经达到硅材料的极限,新一代的碳化硅器件孕育而生,它具有击穿电压高、禁带宽度大、电流密度高以及热导率高等出色的性质,这使得碳化硅器件拥有比硅器件更加突出的综合性能。目前已经替代一部分传统的硅基功率器件,在很多领域展现出了非常优异的开关性能,尤其是在1.2k V和1.7k V中压市场上,对于硅IGBT和MOSFET,碳化硅MOSFET和BJT已经显现出巨大的优势,因此它们在各种应用装置中的性能研究引起了广泛的研究。因此碳化硅MOSFET和碳化硅BJT已成为目前研究的热点,两者的性能也是十分接近,关于碳化硅器件开关性能的研究工作比较多的集中于硬开关下的开关过程,如何降低开关过程中的震荡问题,最大程度的优化开关速度与开关损耗之间的折衷关系,结果往往不太理想,如何改善这一主要矛盾成为很难避免的问题,软开关技术可以有效解决这一盾。本文主要对两种不同的碳化硅器件进行类比和分析,介绍了碳化硅MOSFET和碳化硅BJT的基本结构和工作特性,在静态特性方面,本文对1.2k V的碳化硅MOSFET和碳化硅BJT两种开关器件的静态输出特性、导通比电阻以及导通损耗进行了分析和对比,在动态开关性能方面,通过凌力尔特公司的LTspice软件对碳化硅MOSFET和BJT的开关过程关键的参数进行了仿真优化,在实验平台中,通过建立双脉冲电路,根据仿真的初始参数进行验证并比较了在同一电压不同电流等级下碳化硅MOSFET和碳化硅BJT的开关仿真损耗和开关实验损耗,最后比较了两者实验开关损耗。仿真和实验的结果比较吻合,验证了仿真模型的准确性。在相同耐压不同电流等级下,碳化硅MOSFET的开通性能要优于碳化硅BJT,而碳化硅BJT的开关损耗要低于碳化硅MOSFET。由于受到杂散参数带来的dv/dt,di/dt与开关速度之间矛盾的影响。碳化硅的高频性能没有在硬开关中完全体现,因此本文最后对碳化硅器件的突出优势设计了相应的零电压准谐振软开关电路,通过仿真表明,两种碳化硅器件的动态性能比硬开关动态性能有了很大的改善,可以明显地降低器件开关过程中的dv/dt,di/dt,具体来说,两种碳化硅开关器件在软开关电路中的开关损耗都非常低,同一功率等级下,相比于硬开关损耗,碳化硅MOSFET软关断平均损耗是其硬关断损耗的44.3%,其软开通损耗比硬开通损耗降低了99.9%,几乎可以忽略;碳化硅BJT软关断平均损耗只有其硬关断损耗的30.5%,其软开通损耗比硬开通损耗降低了99%,碳化硅MOSFET较碳化硅BJT的软开关损耗降低15%。因此碳化硅MOSFET在硬开关和软开关方面的综合性能更好一些。
【关键词】：碳化硅 MOSFET BJT 开关损耗 硬开关 软开关
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN303
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 碳化硅器件的发展和国内外研究现状11-13
• 1.2 碳化硅器件的应用领域13-17
• 1.3 本文研究内容17-18
• 第2章 碳化硅器件基础18-29
• 2.1 碳化硅材料18-19
• 2.1.1 碳化硅材料的特性18
• 2.1.2 碳化硅材料的晶体结构18-19
• 2.2 功率MOSFET基本结构和工作特性19-24
• 2.2.1 碳化硅MOSFET的基本结构19-20
• 2.2.2 碳化硅MOSFET的工作特性20-24
• 2.3 碳化硅BJT基本结构和工作特性24-28
• 2.3.1 碳化硅BJT的基本结构24
• 2.3.2 碳化硅BJT的工作特性24-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 碳化硅器件开关特性测试和仿真比较29-39
• 3.1 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT的导通特性和损耗比较29-31
• 3.1.1 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT的I-V特性对比29
• 3.1.2 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT的电阻温度特性对比29-30
• 3.1.3 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT的导通损耗对比30-31
• 3.2 双脉冲测试电路原理31-33
• 3.2.1 双脉冲测试方法介绍31-32
• 3.2.2 双脉冲测试的主要参数32-33
• 3.3 基于LTspice IV的碳化硅MOSFET和碳化硅BJT开关电路仿真33-37
• 3.3.1 LTspice IV仿真软件介绍33
• 3.3.2 碳化硅MOSFET双脉冲测试仿真电路33-36
• 3.3.3 基于LTspice IV的碳化硅BJT开关电路仿真36-37
• 3.4 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT开关损耗仿真比较37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 碳化硅器件开关性能实验比较39-50
• 4.1 碳化硅MOSFET开关实验测试39-44
• 4.1.1 碳化硅MOSFET驱动方案39-40
• 4.1.2 碳化硅MOSFET双脉冲测试40-43
• 4.1.3 碳化硅MOSFET开关性能仿真与实验分析43-44
• 4.2 碳化硅BJT开关实验测试44-47
• 4.2.1 碳化硅BJT驱动电路方案44-45
• 4.2.2 碳化硅BJT双脉冲测试45-46
• 4.2.3 碳化硅BJT开关性能仿真与实验波形分析46-47
• 4.3 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT开关性能实验比较47-48
• 4.4 本章小结48-50
• 第5章 碳化硅器件在软开关应用中的研究50-60
• 5.1 软开关技术50-52
• 5.1.1 硬开关和软开关50-51
• 5.1.2 零电压开关和零电流开关51-52
• 5.2 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT软开关仿真电路设计52-58
• 5.2.1 碳化硅MOSFET的软开关电路52-55
• 5.2.2 碳化硅MOSFET硬开关和软开关损耗比较55-56
• 5.2.3 碳化硅BJT的软开关电路56-57
• 5.2.4 碳化硅BJT硬开关和软开关损耗比较57-58
• 5.3 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT在软开关电路损耗比较58-59
• 5.4 本章小结59-60
• 结论60-62
• 参考文献62-66
• 致谢66-67
• 附录A 攻读学位期间获得的研究成果67

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本文编号：751700