發(fā)布時(shí)間：2020-05-22 19:57

【摘要】：近年來,電力電子技術(shù)得以迅速發(fā)展,在電力工業(yè)中扮演日益重要的角色。尤其是在新能源大規(guī)模接入電網(wǎng),柔性交、直流輸電廣泛使用的今天,電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)中的使用越來越普遍。功率半導(dǎo)體器件作為電力電子變換器的核心,其參數(shù)將直接影響電力電子設(shè)備的性能。目前,以絕緣柵型雙極性晶體管(IGBT)與金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)為代表的硅基半導(dǎo)體功率器件已經(jīng)經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展,其性能指標(biāo)已經(jīng)接近硅的物理極限,難以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的突破。為了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體功率器件性能的進(jìn)一步提高,以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料進(jìn)入了人們的視野。碳化硅半導(dǎo)體功率器件作為第三代電力電子器件之一,具有傳統(tǒng)硅功率器件不可比擬的優(yōu)勢(shì)。碳化硅材料相對(duì)于硅材料,具有更高的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng),更快的電子飽和漂移速率和更好的導(dǎo)熱性能,這使得碳化硅功率器件有著更高的額定電壓、更快的開關(guān)速率和更低的開關(guān)損耗等優(yōu)勢(shì)。在眾多碳化硅功率器件中,以碳化硅MOSFET最具代表性。碳化硅材料的使用大大提升了 MOSFET的額定電壓,然而盡管如此,目前商業(yè)化碳化硅MOSFET的額定電壓最高僅為1700V。這限制了碳化硅MOSFET在中低壓配網(wǎng)以及新能源并網(wǎng)發(fā)電中的應(yīng)用。為此,碳化硅MOSFET直接串聯(lián)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。碳化硅MOSFET高速的開關(guān)過程為其直接串聯(lián)的使用帶來困難。為了更好地利用串聯(lián)碳化硅MOSFET技術(shù),本文主要研究和討論了以下問題:(1)分析了碳化硅功率器件的優(yōu)勢(shì)以及發(fā)展現(xiàn)狀,并且討論了不同種類開關(guān)器件的工作特性以及其在電力電子變換器中的應(yīng)用現(xiàn)狀。綜述了直接串聯(lián)碳化硅MOSFET模型以及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)。(2)分析了功率碳化硅MOSFET的電路模型,討論了其結(jié)電容非線性的分段線性化處理方法,以及碳化硅MOSFET寄生電感對(duì)開關(guān)過程產(chǎn)生的影響。另外本文給出了串聯(lián)碳化硅MOSFET的測(cè)試電路,并且介紹了測(cè)試電路的各個(gè)組成部分。(3)定性分析了串聯(lián)碳化硅MOSFET的關(guān)斷瞬態(tài),并且重點(diǎn)討論了碳化硅MOSFET結(jié)電容的非線性和續(xù)流二極管結(jié)電容的存在性對(duì)串聯(lián)碳化硅MOSFET關(guān)斷時(shí)電壓上升瞬態(tài)的影響。在定性分析的基礎(chǔ)上,對(duì)串聯(lián)碳化硅MOSFET關(guān)斷瞬態(tài)進(jìn)行了定量的計(jì)算與推導(dǎo),給出了電壓上升過程的轉(zhuǎn)換速率表達(dá)式。另外,本文也討論了串聯(lián)碳化硅MOSFET關(guān)斷過程中溝道電流下降至0的現(xiàn)象,以及此現(xiàn)象對(duì)本文的分析產(chǎn)生的影響。(4)提出了一種基于延遲線的主動(dòng)延遲控制均壓驅(qū)動(dòng)電路,此電路可以以0.15ns為步長調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)的延遲時(shí)間,使用閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)串聯(lián)碳化硅MOSFET關(guān)斷時(shí)的電壓均衡。本文詳細(xì)討論了此驅(qū)動(dòng)電路基本工作原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(5)為了驗(yàn)證本文對(duì)串聯(lián)碳化硅MOSFET關(guān)斷上升瞬態(tài)的分析以及主動(dòng)延遲驅(qū)動(dòng)技術(shù)的效果,分別設(shè)計(jì)搭建了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文對(duì)串聯(lián)碳化硅MOSFET上升瞬態(tài)分析的準(zhǔn)確性和本文所設(shè)計(jì)主動(dòng)延遲控制驅(qū)動(dòng)的有效性。
【圖文】：

碳化硅作為寬禁帶半導(dǎo)體材料相比于硅材料擁有以下多項(xiàng)物理上的優(yōu)逡逑勢(shì)：逡逑（１）禁帶寬度大。相比于硅材料，碳化硅的禁帶寬度是硅材料的３倍，逡逑這提高了碳化硅功率器件的耐壓水平，降低了器件的漏電流。逡逑（２）臨界電場(chǎng)強(qiáng)度高。碳化硅的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的１０倍左右。臨界逡逑電場(chǎng)強(qiáng)度的提高可以大幅降低器件的導(dǎo)通電阻，從而降低了器件導(dǎo)通損耗。逡逑因此，在相同的功率等級(jí)下，，碳化硅器件的導(dǎo)通損耗明顯低于硅器件的導(dǎo)通逡逑損耗。逡逑（３）電子飽和漂移速率高。碳化硅的電子飽和漂移速率是硅的兩倍。逡逑高電子飽和漂移速率能提高功率器件的開關(guān)速度，進(jìn)而提高開關(guān)頻率。較高逡逑的開關(guān)頻率可以減小濾波器的體積，提高系統(tǒng)的功率密度。逡逑（４）最大工作結(jié)溫高。碳化硅器件的最高工作結(jié)溫可以達(dá)到６００°Ｃ，然逡逑而硅材料器件僅能達(dá)到１７５°Ｃ。較高的最大工作結(jié)溫可以降低散熱器的設(shè)計(jì)逡逑

邐＞｜邐漢笱的熱性能邐｜邐＾邋冷邙系統(tǒng)ｗ求低邐—逡逑系統(tǒng)邋ｍ邋海逡逑圖１－２碳化硅功率器件的優(yōu)勢(shì)逡逑１．２碳化硅器件研究與應(yīng)用現(xiàn)狀逡逑自從首只商業(yè)化碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管上市以來，目前己有多種半導(dǎo)逡逑體功率器件出現(xiàn)。圖１－３為碳化硅功率器件的發(fā)展歷程。截至２０１５年，基逡逑于碳化硅材料的肖特基勢(shì)壘二極管（ＳＢＤ）、結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管（ＪＢＳ）、逡逑場(chǎng)效應(yīng)管（ＦＥＴ）均己有商業(yè)化產(chǎn)品出現(xiàn)，絕緣柵雙極型晶體管（ＩＧＢＴ）也逡逑已經(jīng)有少量產(chǎn)品出現(xiàn)。下面就目前應(yīng)用最為廣泛的碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管逡逑和碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用現(xiàn)狀做簡要介紹。逡逑Ｗｏｌｆｓｐｅｅｄ邋Ｗｏｌｆｓｐｅｅｄ邋１．７ｋＶ逡逑Ｗｏｌｆｓｐｅｅｄ邋ＳｉＣ邐Ｉｎｆｉｎｅｏｎ邋ＳｉＣ邐Ｉｎｆｉｎｅｏｎ邋ＳｉＣ邋ＭＯＳＦＥＴ邋Ａｌｌ邋ＳｉＣ邋ｍｏｄｕｌｅｓ逡逑ＪＢＳ邋ｄｉｏｄｅ邐ｄｉｏｄｅ邋ｉｎ邋ｍｏｄｕｌｅｓ邐ＳｉＣ邋ＪＦＥＴ邋ｊ邐ｊ逡逑Ｉｎｆｉｎｅｏｎ邐Ｉｎｆｉｎｅｏｎ邐Ｓｅｍｉｓｏｕｔｈ邐ＲＯＨＭ邋Ｗｏｌｆｓｐｅｅｄ逡逑ＳｉＣ邋ＳＢＤ邐ＳｉＣ邋ＪＢＳ邋ｄｉｏｄｅ邐ＳｉＣ邋ＪＦＥＴ邐ＳｉＣ邋ＭＯＳＦＥＴ邋Ａｉｌ邋ＳｉＣ邋ｍｏｄｕｌｅｓ逡逑Ｉ邋%跡�！邋劐ｑw澹懾澹

本文編號(hào)：2676525