本文關(guān)鍵詞：1.2kV碳化硅器件開關(guān)性能比較與應(yīng)用研究

  更多相關(guān)文章： 碳化硅 MOSFET BJT 開關(guān)損耗 硬開關(guān) 軟開關(guān)

【摘要】：隨著全球能源的不斷開發(fā)和利用,能源的高效利用越來(lái)越受到人們的關(guān)注,傳統(tǒng)的硅基器件在大功率裝置中的轉(zhuǎn)換效率不斷提升,目前傳統(tǒng)開關(guān)器件已經(jīng)達(dá)到硅材料的極限,新一代的碳化硅器件孕育而生,它具有擊穿電壓高、禁帶寬度大、電流密度高以及熱導(dǎo)率高等出色的性質(zhì),這使得碳化硅器件擁有比硅器件更加突出的綜合性能。目前已經(jīng)替代一部分傳統(tǒng)的硅基功率器件,在很多領(lǐng)域展現(xiàn)出了非常優(yōu)異的開關(guān)性能,尤其是在1.2k V和1.7k V中壓市場(chǎng)上,對(duì)于硅IGBT和MOSFET,碳化硅MOSFET和BJT已經(jīng)顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì),因此它們?cè)诟鞣N應(yīng)用裝置中的性能研究引起了廣泛的研究。因此碳化硅MOSFET和碳化硅BJT已成為目前研究的熱點(diǎn),兩者的性能也是十分接近,關(guān)于碳化硅器件開關(guān)性能的研究工作比較多的集中于硬開關(guān)下的開關(guān)過(guò)程,如何降低開關(guān)過(guò)程中的震蕩問(wèn)題,最大程度的優(yōu)化開關(guān)速度與開關(guān)損耗之間的折衷關(guān)系,結(jié)果往往不太理想,如何改善這一主要矛盾成為很難避免的問(wèn)題,軟開關(guān)技術(shù)可以有效解決這一盾。本文主要對(duì)兩種不同的碳化硅器件進(jìn)行類比和分析,介紹了碳化硅MOSFET和碳化硅BJT的基本結(jié)構(gòu)和工作特性,在靜態(tài)特性方面,本文對(duì)1.2k V的碳化硅MOSFET和碳化硅BJT兩種開關(guān)器件的靜態(tài)輸出特性、導(dǎo)通比電阻以及導(dǎo)通損耗進(jìn)行了分析和對(duì)比,在動(dòng)態(tài)開關(guān)性能方面,通過(guò)凌力爾特公司的LTspice軟件對(duì)碳化硅MOSFET和BJT的開關(guān)過(guò)程關(guān)鍵的參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化,在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中,通過(guò)建立雙脈沖電路,根據(jù)仿真的初始參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證并比較了在同一電壓不同電流等級(jí)下碳化硅MOSFET和碳化硅BJT的開關(guān)仿真損耗和開關(guān)實(shí)驗(yàn)損耗,最后比較了兩者實(shí)驗(yàn)開關(guān)損耗。仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較吻合,驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。在相同耐壓不同電流等級(jí)下,碳化硅MOSFET的開通性能要優(yōu)于碳化硅BJT,而碳化硅BJT的開關(guān)損耗要低于碳化硅MOSFET。由于受到雜散參數(shù)帶來(lái)的dv/dt,di/dt與開關(guān)速度之間矛盾的影響。碳化硅的高頻性能沒(méi)有在硬開關(guān)中完全體現(xiàn),因此本文最后對(duì)碳化硅器件的突出優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的零電壓準(zhǔn)諧振軟開關(guān)電路,通過(guò)仿真表明,兩種碳化硅器件的動(dòng)態(tài)性能比硬開關(guān)動(dòng)態(tài)性能有了很大的改善,可以明顯地降低器件開關(guān)過(guò)程中的dv/dt,di/dt,具體來(lái)說(shuō),兩種碳化硅開關(guān)器件在軟開關(guān)電路中的開關(guān)損耗都非常低,同一功率等級(jí)下,相比于硬開關(guān)損耗,碳化硅MOSFET軟關(guān)斷平均損耗是其硬關(guān)斷損耗的44.3%,其軟開通損耗比硬開通損耗降低了99.9%,幾乎可以忽略;碳化硅BJT軟關(guān)斷平均損耗只有其硬關(guān)斷損耗的30.5%,其軟開通損耗比硬開通損耗降低了99%,碳化硅MOSFET較碳化硅BJT的軟開關(guān)損耗降低15%。因此碳化硅MOSFET在硬開關(guān)和軟開關(guān)方面的綜合性能更好一些。
【關(guān)鍵詞】：碳化硅 MOSFET BJT 開關(guān)損耗 硬開關(guān) 軟開關(guān)
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN303
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-18
• 1.1 碳化硅器件的發(fā)展和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2 碳化硅器件的應(yīng)用領(lǐng)域13-17
• 1.3 本文研究?jī)?nèi)容17-18
• 第2章 碳化硅器件基礎(chǔ)18-29
• 2.1 碳化硅材料18-19
• 2.1.1 碳化硅材料的特性18
• 2.1.2 碳化硅材料的晶體結(jié)構(gòu)18-19
• 2.2 功率MOSFET基本結(jié)構(gòu)和工作特性19-24
• 2.2.1 碳化硅MOSFET的基本結(jié)構(gòu)19-20
• 2.2.2 碳化硅MOSFET的工作特性20-24
• 2.3 碳化硅BJT基本結(jié)構(gòu)和工作特性24-28
• 2.3.1 碳化硅BJT的基本結(jié)構(gòu)24
• 2.3.2 碳化硅BJT的工作特性24-28
• 2.4 本章小結(jié)28-29
• 第3章 碳化硅器件開關(guān)特性測(cè)試和仿真比較29-39
• 3.1 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT的導(dǎo)通特性和損耗比較29-31
• 3.1.1 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT的I-V特性對(duì)比29
• 3.1.2 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT的電阻溫度特性對(duì)比29-30
• 3.1.3 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT的導(dǎo)通損耗對(duì)比30-31
• 3.2 雙脈沖測(cè)試電路原理31-33
• 3.2.1 雙脈沖測(cè)試方法介紹31-32
• 3.2.2 雙脈沖測(cè)試的主要參數(shù)32-33
• 3.3 基于LTspice IV的碳化硅MOSFET和碳化硅BJT開關(guān)電路仿真33-37
• 3.3.1 LTspice IV仿真軟件介紹33
• 3.3.2 碳化硅MOSFET雙脈沖測(cè)試仿真電路33-36
• 3.3.3 基于LTspice IV的碳化硅BJT開關(guān)電路仿真36-37
• 3.4 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT開關(guān)損耗仿真比較37-38
• 3.5 本章小結(jié)38-39
• 第4章 碳化硅器件開關(guān)性能實(shí)驗(yàn)比較39-50
• 4.1 碳化硅MOSFET開關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試39-44
• 4.1.1 碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)方案39-40
• 4.1.2 碳化硅MOSFET雙脈沖測(cè)試40-43
• 4.1.3 碳化硅MOSFET開關(guān)性能仿真與實(shí)驗(yàn)分析43-44
• 4.2 碳化硅BJT開關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試44-47
• 4.2.1 碳化硅BJT驅(qū)動(dòng)電路方案44-45
• 4.2.2 碳化硅BJT雙脈沖測(cè)試45-46
• 4.2.3 碳化硅BJT開關(guān)性能仿真與實(shí)驗(yàn)波形分析46-47
• 4.3 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT開關(guān)性能實(shí)驗(yàn)比較47-48
• 4.4 本章小結(jié)48-50
• 第5章 碳化硅器件在軟開關(guān)應(yīng)用中的研究50-60
• 5.1 軟開關(guān)技術(shù)50-52
• 5.1.1 硬開關(guān)和軟開關(guān)50-51
• 5.1.2 零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)51-52
• 5.2 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT軟開關(guān)仿真電路設(shè)計(jì)52-58
• 5.2.1 碳化硅MOSFET的軟開關(guān)電路52-55
• 5.2.2 碳化硅MOSFET硬開關(guān)和軟開關(guān)損耗比較55-56
• 5.2.3 碳化硅BJT的軟開關(guān)電路56-57
• 5.2.4 碳化硅BJT硬開關(guān)和軟開關(guān)損耗比較57-58
• 5.3 碳化硅MOSFET和碳化硅BJT在軟開關(guān)電路損耗比較58-59
• 5.4 本章小結(jié)59-60
• 結(jié)論60-62
• 參考文獻(xiàn)62-66
• 致謝66-67
• 附錄A 攻讀學(xué)位期間獲得的研究成果67

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本文編號(hào)：751700