【摘要】：過去的數(shù)十年中,硅基功率器件一直在電力電子領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但目前受限于其物理特性,硅基技術(shù)已經(jīng)難以滿足日漸增長的功率器件在功率密度和工作頻率等方面的性能需求。第三代半導(dǎo)體器件材料SiC由于其卓越的材料性能(高熱導(dǎo)率和高遷移率),是取代Si的理想功率器件材料。目前SiC MOSFET已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng),并因其阻斷電壓高,開關(guān)速度快,導(dǎo)通損耗小及耐高溫而備受關(guān)注。目前SiC功率器件的性能仍受到材料和工藝的限制,商用的SiC MOSFET分立器件規(guī)格一般為1700V/40A。這些器件仍不能滿足中壓變換器的耐壓要求。為了提高電壓應(yīng)用范圍,可以將SiC MOSFET串聯(lián)以提高可承受的電壓。但是器件參數(shù)差異和電路不對(duì)稱將造成串聯(lián)SiC MOSFET電壓分布不均,威脅電路的安全工作。因此串聯(lián)SiC MOSFET需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)電壓均衡,以避免器件過壓擊穿。SiC MOSFET靜態(tài)均壓比較容易實(shí)現(xiàn),最簡單的方法是在每個(gè)MOSFET漏源旁并聯(lián)均壓電阻。但由于SiC MOSFET的開關(guān)速度極快,動(dòng)態(tài)電壓均衡實(shí)現(xiàn)的難度較大。因此,串聯(lián)SiC MOSFET應(yīng)用中最重要的是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓均衡。本文首先闡述了國內(nèi)外串聯(lián)功率器件的研究現(xiàn)狀并分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。隨后分析了SiC MOSFET的開關(guān)特性和影響串聯(lián)SiC MOSFET電壓均衡的各項(xiàng)因素。通過仿真分析確定了影響動(dòng)態(tài)均壓的關(guān)鍵因素。在此基礎(chǔ)上本文提出了一種基于鉗位電路的新型串聯(lián)SiC MOSFET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以有效的避免串聯(lián)SiC MOSFET動(dòng)靜態(tài)過壓的發(fā)生。基于鉗位電路的新型串聯(lián)SiC MOSFET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)SiC MOSFET串聯(lián)。本文分析了鉗位電路的工作原理和元件參數(shù)取值要求。二極管和電容鉗位電路可以確保SiC MOSFET漏源電壓不超過鉗位電容的電壓,從而避免SiC MOSFET過壓擊穿。為了控制鉗位電容電壓,本文設(shè)計(jì)了鉗位輔助電路和能量回收電路。從需求和特點(diǎn)出發(fā),選擇了雙管反激式電路作為能量回收電路。該電路用于控制鉗位電容的電壓同時(shí)將由于鉗位作用而累積的能量回收再利用。隨后分析了能量回收電路的工作原理。其控制策略為在鉗位電容電壓超過預(yù)定值時(shí),能量回收電路將開通。鉗位電容向能量回收電路放電,電容電壓隨之降低。而這部分由于鉗位而累積的能量將傳輸回母線電容。本文針對(duì)串聯(lián)SiC MOSFET主電路和能量回收電路的各自驅(qū)動(dòng)需求,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路。分析了其工作原理,得到驅(qū)動(dòng)電路中各元件的具體參數(shù)要求。利用Cadence Pspice軟件仿真了所設(shè)計(jì)的串聯(lián)SiC MOSFET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過串聯(lián)3個(gè)1200V SiC MOSFET實(shí)現(xiàn)2800V串聯(lián)SiC MOSFET模塊。仿真中測(cè)試了變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路的功能。驗(yàn)證了串聯(lián)SiC MOSFET主電路,鉗位電路和能量回收電路的正常工作。仿真結(jié)果證明串聯(lián)SiC MOSFET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以避免串聯(lián)SiC MOSFET動(dòng)靜態(tài)過壓的發(fā)生。本文基于Altium Desinger繪制了樣機(jī)PCB版圖并制作了整體樣機(jī)。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路、鉗位電路和能量回收電路進(jìn)行了功能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明各電路功能與仿真一致,證實(shí)了該串聯(lián)SiC MOSFET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性。
【圖文】：

Baliga 品質(zhì)因數(shù) 1 15 204 219目前 Si IGBT 作為具有代表性的硅基半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于中壓或低壓功率變換器中。圖1.1為硅和碳化硅功率器件應(yīng)用時(shí)阻斷電壓的分布圖[2]。相比于 Si IGBT和 Si MOSFET，SiC MOSFET 具有耐高溫，耐輻射，工作頻率大，功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，，被認(rèn)為將在未來取代 Si IGBT 并廣泛應(yīng)用于中壓功率變換器中[3]。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，Si IGBT 在材料和工藝上已經(jīng)都已經(jīng)相當(dāng)成熟，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 6500V/100A 的1

DS波形如圖1.2所示三個(gè) MOSFET 直接串聯(lián)作為功率開關(guān)而不采取其他措施，假設(shè)各器件的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲不一致。在 MOSFET 關(guān)斷過程中，M3 的關(guān)斷延遲最小并在其他器件之前關(guān)斷，其漏源電壓將迅速上升，并在關(guān)斷后最終承受更大的漏源電壓。如果柵極信號(hào)延遲差異過大，將導(dǎo)致較大的 VDS3過沖，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)導(dǎo)致過壓擊穿而損壞器件。同理，在開啟過程中，M3 先開啟并導(dǎo)致 VDS3開啟下降。而這時(shí) VDS1和VDS2將上升以承受母線電壓。由于 M1 較大的開啟延遲，同樣存在發(fā)生過壓擊穿的可能。對(duì)于 SiC MOSFET
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN386

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 張波;鄧小川;張有潤;李肇基;;寬禁帶半導(dǎo)體SiC功率器件發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J];中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào);2009年02期

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1 鄭晟;中高壓電力電子變換中的功率單元及功率器件的級(jí)聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2013年

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1 程士東;高壓大電流碳化硅MOSFET串并聯(lián)模塊[D];浙江大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2675240