【摘要】：近年來,Si基功率半導體器件經(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未來發(fā)展的瓶頸之一。而SiC功率半導體器件可以更好地彌補Si基功率半導體器件在大電壓量級和大功率方面的缺陷,因此SiC功率半導體器件已經(jīng)引起了業(yè)內(nèi)廣泛的關注。本文的研究目的主要是設計出能夠快速驅動SiC GTO開通與關斷的低功耗驅動電路。研究的重點不僅是追求極高的驅動電流上升率與下降率,而且在SiC GTO導通期間關斷門極驅動電流,較大限度地降低功耗。首先,從SiC功率半導體器件的發(fā)展概況出發(fā),闡述了SiC功率半導體器件的諸多優(yōu)良特性和在涉及電力電子領域的現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應用。然后,針對具有代表性的SiC BJT和SiC GTO雙極型功率半導體器件在基本結構、工作原理和工作特性方面分別進行了介紹,并結合典型的電流型驅動電路,提出了低功耗驅動電路的設計思想。根據(jù)電路設計思想對基本器件進行了分析和選型,在已設計驅動電路的基礎上,提出了低功耗驅動電路的整體設計方案: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作為開關元件,并采用反饋回路來控制驅動電路的通斷。在低功耗驅動電路整體方案的基礎上,對三種控制電路的設計方案進行了理論分析和驗證性測試。第一種是基于PMOS場效應管的控制電路設計方案,在1.5kHz下,關斷驅動電流的時間占據(jù)整個開通時間的比例約為35%;第二種是基于多個MOS場效應管的控制電路設計方案,在1.5kHz下,關斷驅動電流的時間占據(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計方案,在1.5kHz下,關斷驅動電流的時間占據(jù)整個開通時間的比例約為65%。三種電路設計方案均可在不同程度上降低驅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撲結構最簡單,因而理論上具有較高的可靠性,并且提供的驅動電流從0到200mA所需的時間約為20ns。因此本文在電路結構的拓撲原理上驗證了能夠達到快速開通與關斷SiC GTO并降低驅動電路功耗的目的。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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 21kV 的高壓 SiC BJT，耐壓 15k以及耐壓達 22kV 的 SiC ETO 功率模塊等[6-12]。電子器件領域，SiC 半導體器件是繼 Si 基半導體器件后一器件因具有較低的導通損耗和開關損耗，在半導體器件領域件。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)高壓領域中的全新應用，這對電力了非凡意義[13]。功率半導體器件實際的應用率半導體器件憑借自身的優(yōu)良特性使得應用范圍不斷擴大領域的同時，還可以應用于提高電力系統(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)開關特性，以及針對 SiC GTO 進行損耗性評估[29-31]，文獻[32]中首介紹了一種基于 2.6kV SiC GTO 的光學觸發(fā)方式，這種門極驅動方式是在 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 的導通時間。文獻[33]中介紹了一種基于 12kV，100A SiC GT的光學觸發(fā)方式，圖 1.2 是相應的光觸發(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)導流晶閘管(2.2mm×2.2mm)為 SiC GTO 提供一個導通的電流，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，電路復雜，集成難度高，是一種新型的驅動電路與 SGTO 的集成技術，并不適用于常規(guī)的 SiC GTO 驅動。傳統(tǒng)的 Si 基 GTO 驅動方式一般為開環(huán)不控方式，即設定固定的直流驅動電流，這種方式會造成驅動損耗增

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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

2 錢照明;張軍明;盛況;;電力電子器件及其應用的現(xiàn)狀和發(fā)展[J];中國電機工程學報;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];中國電機工程學報;2013年25期

6 趙正平;;SiC新一代電力電子器件的進展[J];半導體技術;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)的應用展望[J];中國電機工程學報;2012年30期

8 于晶榮;曹一家;王一軍;韓華;謝慧娟;吳偉標;;SiC電力電子器件對電力系統(tǒng)的影響[J];微納電子技術;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 15kV SiCIGBT的發(fā)展及其對電力應用的影響(上)[J];變頻器世界;2010年04期

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

相關博士學位論文 前2條

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

2 劉林盛;場效應晶體管的大信號模型研究[D];電子科技大學;2011年

相關碩士學位論文 前6條

1 劉青;超高壓4H-SiC GTO晶閘管的結構優(yōu)化設計[D];西安理工大學;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;2017年

3 黃海清;SiC雙極型功率半導體器件的驅動電路研究[D];湖南大學;2017年

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

5 熊正斌;1.2kV碳化硅器件開關性能比較與應用研究[D];湖南大學;2016年

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

本文編號：2720214