【摘要】：近年來,電力電子技術得以迅速發(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,柔性交、直流輸電廣泛使用的今天,電力電子設備在電力系統(tǒng)中的使用越來越普遍。功率半導體器件作為電力電子變換器的核心,其參數將直接影響電力電子設備的性能。目前,以絕緣柵型雙極性晶體管(IGBT)與金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)為代表的硅基半導體功率器件已經經歷數十年的發(fā)展,其性能指標已經接近硅的物理極限,難以實現進一步的突破。為了實現半導體功率器件性能的進一步提高,以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料進入了人們的視野。碳化硅半導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。碳化硅材料相對于硅材料,具有更高的絕緣擊穿場強,更快的電子飽和漂移速率和更好的導熱性能,這使得碳化硅功率器件有著更高的額定電壓、更快的開關速率和更低的開關損耗等優(yōu)勢。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在中低壓配網以及新能源并網發(fā)電中的應用。為此,碳化硅MOSFET直接串聯技術應運而生。碳化硅MOSFET高速的開關過程為其直接串聯的使用帶來困難。為了更好地利用串聯碳化硅MOSFET技術,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)勢以及發(fā)展現狀,并且討論了不同種類開關器件的工作特性以及其在電力電子變換器中的應用現狀。綜述了直接串聯碳化硅MOSFET模型以及其驅動技術。(2)分析了功率碳化硅MOSFET的電路模型,討論了其結電容非線性的分段線性化處理方法,以及碳化硅MOSFET寄生電感對開關過程產生的影響。另外本文給出了串聯碳化硅MOSFET的測試電路,并且介紹了測試電路的各個組成部分。(3)定性分析了串聯碳化硅MOSFET的關斷瞬態(tài),并且重點討論了碳化硅MOSFET結電容的非線性和續(xù)流二極管結電容的存在性對串聯碳化硅MOSFET關斷時電壓上升瞬態(tài)的影響。在定性分析的基礎上,對串聯碳化硅MOSFET關斷瞬態(tài)進行了定量的計算與推導,給出了電壓上升過程的轉換速率表達式。另外,本文也討論了串聯碳化硅MOSFET關斷過程中溝道電流下降至0的現象,以及此現象對本文的分析產生的影響。(4)提出了一種基于延遲線的主動延遲控制均壓驅動電路,此電路可以以0.15ns為步長調整驅動信號的延遲時間,使用閉環(huán)控制實現串聯碳化硅MOSFET關斷時的電壓均衡。本文詳細討論了此驅動電路基本工作原理和系統(tǒng)設計。(5)為了驗證本文對串聯碳化硅MOSFET關斷上升瞬態(tài)的分析以及主動延遲驅動技術的效果,分別設計搭建了實驗驗證平臺。實驗結果驗證了本文對串聯碳化硅MOSFET上升瞬態(tài)分析的準確性和本文所設計主動延遲控制驅動的有效性。
【圖文】：

碳化硅作為寬禁帶半導體材料相比于硅材料擁有以下多項物理上的優(yōu)逡逑勢：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）臨界電場強度高。碳化硅的臨界電場強度是硅的１０倍左右。臨界逡逑電場強度的提高可以大幅降低器件的導通電阻，從而降低了器件導通損耗。逡逑因此，在相同的功率等級下，，碳化硅器件的導通損耗明顯低于硅器件的導通逡逑損耗。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速度，進而提高開關頻率。較高逡逑的開關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）最大工作結溫高。碳化硅器件的最高工作結溫可以達到６００°Ｃ，然逡逑而硅材料器件僅能達到１７５°Ｃ。較高的最大工作結溫可以降低散熱器的設計逡逑

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)勢逡逑１．２碳化硅器件研究與應用現狀逡逑自從首只商業(yè)化碳化硅肖特基勢壘二極管上市以來，目前己有多種半導逡逑體功率器件出現。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壘二極管（ＳＢＤ）、結勢壘肖特基二極管（ＪＢＳ）、逡逑場效應管（ＦＥＴ）均己有商業(yè)化產品出現，絕緣柵雙極型晶體管（ＩＧＢＴ）也逡逑已經有少量產品出現。下面就目前應用最為廣泛的碳化硅肖特基勢壘二極管逡逑和碳化硅場效應管的應用現狀做簡要介紹。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：2676525