SiC MOSFET低开关损耗驱动电路的研究与设计

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电力电子转换设备的性能与其核心功率开关器件息息相关,传统硅基器件的发展已逼近其材料的物理极限,成为当前限制电力电子转换设备性能提升的主要因素。以SiC MOSFET为代表的第三代功率开关器件的出现,为电力电子转换设备的发展提供了新的契机。相比于Si MOSFET和Si IGBT,SiC MOSFET开关速度更快,开关损耗和器件应力之间的矛盾更加严重。为了减小器件应力,传统驱动电路通过增加栅极电阻来降低开关速度,但会延长开关时间,增大开关损耗。由于这个原因,当前以SiC MOSFET作为核心器件的功率转换系统的工作频率远小于其理论极限频率,大大限制了SiC MOSFET的应用范围。因此,针对SiC MOSFET的器件特性,设计一款能够在不增加器件应力的同时降低开关损耗的驱动电路,对充分发挥SiC MOSFET的优势以及提升大功率电力电子转换设备的性能具有重大意义。本文首先对SiC MOSFET开关特性进行了理论研究和仿真分析,并从驱动层面总结了开关损耗的优化方法:分阶段控制驱动电压、电阻或电流。其次,针对电压型驱动的特点,设计了一款两段式电阻切换型驱动电路,利用延时电路和MOS开关实现了分阶段控制驱动电阻;针对电流型驱动的特点,设计了一款反馈控制型驱动电路,通过检测SiC MOSFET开关过程中漏源电压和电流的变化率来判断SiC MOSFET所处阶段,利用反馈电路在特定的阶段向栅极注入或抽取电流实现了分阶段控制驱动电流。最后,通过在LTspice XVII软件中搭建双脉冲测试仿真平台分别对两款驱动电路的性能进行了仿真验证。仿真结果表明:(1)两款驱动电路均能优化开关损耗与器件应力之间的矛盾,与传统驱动电路相比,在控制电流过冲为8A,电压过冲为50V时,两段式电阻切换型驱动电路降低了17%的开通损耗和59.7%的关断损耗,反馈控制型驱动电路分别降低了55.3%和55.4%。(2)两款驱动电路具有较好的工况适应性,在负载电流分别为40A、50A、60A的情况下,对SiC MOSFET开关过程均有较出色的控制性能。
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