【摘要】：近年來,Si基功率半導(dǎo)體器件經(jīng)過長足的發(fā)展,其整體性能已趨于硅材料的極限,但該類器件的局限性已經(jīng)成為制約電力電子技術(shù)未來發(fā)展的瓶頸之一。而SiC功率半導(dǎo)體器件可以更好地彌補Si基功率半導(dǎo)體器件在大電壓量級和大功率方面的缺陷,因此SiC功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)引起了業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注。本文的研究目的主要是設(shè)計出能夠快速驅(qū)動SiC GTO開通與關(guān)斷的低功耗驅(qū)動電路。研究的重點不僅是追求極高的驅(qū)動電流上升率與下降率,而且在SiC GTO導(dǎo)通期間關(guān)斷門極驅(qū)動電流,較大限度地降低功耗。首先,從SiC功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展概況出發(fā),闡述了SiC功率半導(dǎo)體器件的諸多優(yōu)良特性和在涉及電力電子領(lǐng)域的現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。然后,針對具有代表性的SiC BJT和SiC GTO雙極型功率半導(dǎo)體器件在基本結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性方面分別進(jìn)行了介紹,并結(jié)合典型的電流型驅(qū)動電路,提出了低功耗驅(qū)動電路的設(shè)計思想。根據(jù)電路設(shè)計思想對基本器件進(jìn)行了分析和選型,在已設(shè)計驅(qū)動電路的基礎(chǔ)上,提出了低功耗驅(qū)動電路的整體設(shè)計方案:選用霍爾傳感器作為SiC GTO主回路信號采集器,利用CMOS反相器輸出高阻態(tài)的特性將NMOS作為開關(guān)元件,并采用反饋回路來控制驅(qū)動電路的通斷。在低功耗驅(qū)動電路整體方案的基礎(chǔ)上,對三種控制電路的設(shè)計方案進(jìn)行了理論分析和驗證性測試。第一種是基于PMOS場效應(yīng)管的控制電路設(shè)計方案,在1.5kHz下,關(guān)斷驅(qū)動電流的時間占據(jù)整個開通時間的比例約為35%;第二種是基于多個MOS場效應(yīng)管的控制電路設(shè)計方案,在1.5kHz下,關(guān)斷驅(qū)動電流的時間占據(jù)整個開通時間的比例約為75%;第三種是基于運算放大器的控制電路設(shè)計方案,在1.5kHz下,關(guān)斷驅(qū)動電流的時間占據(jù)整個開通時間的比例約為65%。三種電路設(shè)計方案均可在不同程度上降低驅(qū)動電路開通期間的功率損耗,尤其是基于運算放大器的控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最簡單,因而理論上具有較高的可靠性,并且提供的驅(qū)動電流從0到200mA所需的時間約為20ns。因此本文在電路結(jié)構(gòu)的拓?fù)湓砩向炞C了能夠達(dá)到快速開通與關(guān)斷SiC GTO并降低驅(qū)動電路功耗的目的。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN303
【圖文】：

/5A 的 SiC DMOSFET 功率模塊，耐壓為 15kV 的 SiC MO IGBT 功率模塊，耐壓高達(dá) 21kV 的高壓 SiC BJT，耐壓 15k以及耐壓達(dá) 22kV 的 SiC ETO 功率模塊等[6-12]。電子器件領(lǐng)域，SiC 半導(dǎo)體器件是繼 Si 基半導(dǎo)體器件后一器件因具有較低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域件。另外，隨著基于 SiC 材料的新型器件不斷被研發(fā)及其定能開發(fā)出在電力系統(tǒng)高壓領(lǐng)域中的全新應(yīng)用，這對電力了非凡意義[13]。功率半導(dǎo)體器件實際的應(yīng)用率半導(dǎo)體器件憑借自身的優(yōu)良特性使得應(yīng)用范圍不斷擴大領(lǐng)域的同時，還可以應(yīng)用于提高電力系統(tǒng)和軍用武器裝備統(tǒng)中，電力電子器件及其裝置應(yīng)用十分普遍，尤其是在新流輸電系統(tǒng)、微網(wǎng)及其分布式發(fā)電系統(tǒng)、直流固態(tài)斷路器

（a）光觸發(fā)模塊 （b）光觸發(fā) SiC GTO 的測試封裝圖 1.2 光觸發(fā)模塊示意圖以及測試封裝圖目前，國內(nèi)外對 SiC GTO 的研究主要集中于其電氣參數(shù)方面，包括正向阻斷電壓和動態(tài)開關(guān)特性，以及針對 SiC GTO 進(jìn)行損耗性評估[29-31]，文獻(xiàn)[32]中首介紹了一種基于 2.6kV SiC GTO 的光學(xué)觸發(fā)方式，這種門極驅(qū)動方式是在 SGTO 器件生產(chǎn)時，通過在 GTO 的陽極和門極間配置 19 個陽極射線管方式實現(xiàn)對SiC GTO 大約 600ns 的導(dǎo)通時間。文獻(xiàn)[33]中介紹了一種基于 12kV，100A SiC GT的光學(xué)觸發(fā)方式，圖 1.2 是相應(yīng)的光觸發(fā)模塊示意圖以及測試封裝圖。如圖 1（b）所示，該光學(xué)觸發(fā)模塊時封裝在 GTO 中，通過在 SiC GTO 的門極和陰極之間并聯(lián)一個小的光觸發(fā)導(dǎo)流晶閘管(2.2mm×2.2mm)為 SiC GTO 提供一個導(dǎo)通的電流，首次證明了 SiC GTO 在光觸發(fā)下具有 70ns 的快速開啟時間，不過這種觸發(fā)方式對工藝的要求高，電路復(fù)雜，集成難度高，是一種新型的驅(qū)動電路與 SGTO 的集成技術(shù)，并不適用于常規(guī)的 SiC GTO 驅(qū)動。傳統(tǒng)的 Si 基 GTO 驅(qū)動方式一般為開環(huán)不控方式，即設(shè)定固定的直流驅(qū)動電流，這種方式會造成驅(qū)動損耗增

【參考文獻(xiàn)】

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1 李巖;羅雨;許樹楷;周月賓;袁志昌;;柔性直流輸電技術(shù):應(yīng)用、進(jìn)步與期望[J];南方電網(wǎng)技術(shù);2015年01期

2 錢照明;張軍明;盛況;;電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展[J];中國電機工程學(xué)報;2014年29期

3 張惠惠;周新田;穆辛;Bettina Rubino;Michele Macauda;Massimo Nania;Simion Buonome;;不同碳化硅器件的直接比較[J];電源世界;2014年07期

4 蘇劍;周莉梅;李蕊;;分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的成本/效益分析[J];中國電機工程學(xué)報;2013年34期

5 宋強;趙彪;劉文華;曾嶸;;智能直流配電網(wǎng)研究綜述[J];中國電機工程學(xué)報;2013年25期

6 趙正平;;SiC新一代電力電子器件的進(jìn)展[J];半導(dǎo)體技術(shù);2013年02期

7 盛況;郭清;張軍明;錢照明;;碳化硅電力電子器件在電力系統(tǒng)的應(yīng)用展望[J];中國電機工程學(xué)報;2012年30期

8 于晶榮;曹一家;王一軍;韓華;謝慧娟;吳偉標(biāo);;SiC電力電子器件對電力系統(tǒng)的影響[J];微納電子技術(shù);2012年08期

9 JUN WANG;ALEX Q.HUANG;WOONGJE SUNG;YU LIU;B JAYANT BALIGA;張永鑫;田書欣;楊喜軍;姜建國;;智能電網(wǎng)技術(shù) 15kV SiCIGBT的發(fā)展及其對電力應(yīng)用的影響(上)[J];變頻器世界;2010年04期

10 劉澤洪;高理迎;余軍;張進(jìn);;±1000kV特高壓直流輸電技術(shù)研發(fā)思路(英文)[J];中國電機工程學(xué)報;2009年22期

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1 元磊;高性能4H-SiC BJT器件設(shè)計及制備技術(shù)研究[D];西安電子科技大學(xué);2016年

2 劉林盛;場效應(yīng)晶體管的大信號模型研究[D];電子科技大學(xué);2011年

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1 劉青;超高壓4H-SiC GTO晶閘管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D];西安理工大學(xué);2017年

2 于程皓;基于SiC MOSFETs的三相固態(tài)變壓器的研究[D];山東大學(xué);2017年

3 黃海清;SiC雙極型功率半導(dǎo)體器件的驅(qū)動電路研究[D];湖南大學(xué);2017年

4 張建軍;霍爾電流傳感器設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

5 熊正斌;1.2kV碳化硅器件開關(guān)性能比較與應(yīng)用研究[D];湖南大學(xué);2016年

6 肖劍波;高壓SiC BJT在脈沖功率領(lǐng)域的快速驅(qū)動電路研究[D];湖南大學(xué);2016年

本文編號：2720214