基于电场耦合原理的SiC MOSFET高频电压感知方法研究

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近年来,碳化硅(Silicon Carbide,SiC)MOSFET已进入产业化快速发展阶段,逐渐应用在新能源汽车、5G通信、高速轨道交通等领域。随着SiC MOSFET的不断发展,其开关特性的研究引起了国内外学者的关注。开关电压作为分析开关特性的重要参数,其准确测量是器件特性分析、损耗计算、结温提取的前提,是器件运行状态评估、寿命预测以及可靠性大数据模型建立的关键。随着SiC MOSFET在开关速度、耐压以及功率密度等方面性能的提升,开关电压测量难的问题逐渐凸显,对电压传感器的带宽、侵入性、在线测量能力和成本等方面提出了新的要求。因此,研究如何准确、高效地获取SiC MOSFET开关电压信息具有一定的现实意义和学术价值。本文提出一种利用电场耦合原理测量开关电压的非接触式电压传感器,其避免了与原电路的直接接触,很大程度上解决了接触式传感器的侵入性问题和安全问题。文章首先对SiC MOSFET的开关特性及其测试方法、电压传感器在测试过程中存在的问题等进行了详细的分析。其次,介绍非接触式电场耦合方法测量SiC MOSFET开关电压的原理,并利用有源积分电路和自积分电路组成的混合积分器对传感器的感应信号进行电压重构,以实现对高压高频信号的测量。在此基础上,通过仿真和计算着重分析了电场耦合电压传感器结构。传感器带宽范围为5Hz~260MHz,量程为-1000V~+1000V,输入电容约为0.73p F,传感器利用PCB制成,并采用贴片式方法测量,这大大降低了传感器的成本,其体积小、结构简单,可用于系统集成,有利于实现对器件的在线状态监测。为实现对开关电压的集成式在线测量,本文研究了集成于SiC MOSFET功率电路中的电场耦合电压传感器。首先,介绍功率电路的布局类型以及不同布局对开关电压测量结果的影响,并分析功率电路中对开关电压测量存在的干扰。其次,以最优化布局为基础,并在利用Q3D和Maxwell仿真分析来最大程度减小周围干扰的情况下,选择最优集成位置,实现传感器的集成。最后,通过实验对贴片式和集成式电场耦合电压传感器的性能进行了实验验证,并将其测量结果和Tek TPP0850进行对比,验证了非接触式电场耦合电压传感器的准确性。
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