【摘要】：近年來,以碳化硅(SiC)為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件成為研究熱點(diǎn),其中SiC MOSFET以其優(yōu)異的特性有望在高壓、高頻、高溫應(yīng)用中取代SiIGBT,滿足更高功率密度的應(yīng)用需求,本文從SiC MOSF ET的驅(qū)動電路設(shè)計出發(fā),主要針對大功率SiC MOSFET的并聯(lián)主動均流方法進(jìn)行了研究。首先,本文介紹了SiC MOSFET的器件結(jié)構(gòu)和開關(guān)特性,為了優(yōu)化SiC MOSFET的開關(guān)波形,將開關(guān)過程細(xì)分為多個階段,對其分階段精細(xì)化控制,提出了一種可變柵壓門極驅(qū)動結(jié)構(gòu),該方法可以在幾乎不影響開關(guān)時間的情況下,改變開關(guān)過程中的電流、電壓變化率,從而降低開關(guān)過程中的電流、電壓尖峰。然后,為了實驗分析和并聯(lián)應(yīng)用,利用SolidWorks和ANSYS Q3D軟件對器件并聯(lián)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計和仿真,得到對稱的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。同時,本文從器件、驅(qū)動回路和功率回路三個層面,系統(tǒng)地分析了SiC MOSFET在并聯(lián)應(yīng)用中影響電流均衡的因素。接著,在可變柵壓門極驅(qū)動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了一種基于di/dt電流檢測的柵壓延時補(bǔ)償和切電壓補(bǔ)償相結(jié)合的主動均流方法,前者使并聯(lián)電流變化沿同步,后者用于調(diào)節(jié)電流變化斜率及尖峰,闡述了它的工作過程并進(jìn)行了均流控制的仿真分析,初步證明該方法可行。搭建雙脈沖和短路測試實驗平臺,證明可變柵壓門極驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以有效優(yōu)化開關(guān)波形,并在短路情況下安全關(guān)斷器件;同時,搭建并聯(lián)實驗平臺,實驗分析了不同參數(shù)對SiC MOSFET并聯(lián)電流分配的影響以及不同工況下的均流情況。最后,針對SiC MOSFET的并聯(lián)不均流情況,采用本文的均流方法對其進(jìn)行改善,在開通過程中,改善前電流尖峰有60A的差距,延時補(bǔ)償后電流尖峰差距減小到40A左右,切電壓補(bǔ)償后并聯(lián)電流大體相同;關(guān)斷過程中,改善前電流差異達(dá)到40A,延時補(bǔ)償后波形幾乎重合,從而驗證了本文的主動均流方法可以改善并聯(lián)電流不均的情況。
【圖文】：

近年來，以碳化硅（Silicon Carbide，SiC）為代表的第三代為器件性能的大幅提升帶來了機(jī)遇。大家普遍認(rèn)為 SiC 材料是壓和高溫應(yīng)用的綜合性能最優(yōu)越的材料[1]。隨著 Cree 公司向級的 SiC MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Tr于汽車的 SiC MOSFET 和 SiC 二極管也有了很大的市場，行業(yè)帶半導(dǎo)體將有很好的市場前景。Yole 預(yù)測到 2023 年 SiC 功率14 億美元[2]。 所示，SiC 材料與 Si 材料相比，具有高能帶、高飽和速度、高特性，是高頻、高溫、高功率密度場合的理想選擇。SiC 材料 3 倍，這決定了 SiC 器件可以承受更高的電壓，同時，由于禁帶流子濃度低，高溫下的穩(wěn)定性更好；SiC 材料的臨界擊穿電場以作為高壓大功率器件；SiC 材料的飽和漂移速度更高，更適導(dǎo)率約為 Si 的 2~3 倍，可以滿足溫度更高的應(yīng)用場合，減小功率密度。得益于 SiC 材料的固有特性，新一代 SiC 功率器件高了工作溫度。

可以獲得更高的功率密度、更具優(yōu)勢。用需求器件已進(jìn)入應(yīng)用推廣和大規(guī)模商業(yè)化階段，其電網(wǎng)、航空航天、新能源發(fā)電和軌道交通等領(lǐng)域統(tǒng)應(yīng)用中人們關(guān)注的重點(diǎn)[3]，SiC MOSFET 作為第低飽和壓降和低開關(guān)損耗的優(yōu)良特性，讓我們離目味著同等電壓等級的功率器件，它可以做的更小成本和體積；開關(guān)頻率的提高則可以提高系統(tǒng)的運(yùn)器件的體積。目前 SiC 器件廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電據(jù)中心等場合。新能源電動汽車代表著環(huán)保、代表池技術(shù)、充電技術(shù)的高速發(fā)展，電動方程式也隨造商在未來 5 到 10 年內(nèi)采用碳化硅[2]�？偟膩碚f低損耗等優(yōu)點(diǎn)，它必然會克服 Si IGBT 在高頻大高壓電力電子系統(tǒng)的首選功率器件。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN386

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