【摘 要】
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碳化硅功率MOSFET由于工作温度、耐受电压、开关频率以及效率均远高于硅器件,被广泛应用于新能源汽车、光伏发电、航空航天、城市轨道交通等领域。然而,碳化硅功率MOSFET具有较高的开关速度,即较大的dv/dt,这会带来如过冲电压、过冲电流、电路中过大的电磁干扰、电机系统中的绝缘老化等问题。因此,对碳化硅功率MOSFET的dv/dt进行一定的控制或者抑制对提高碳化硅MOSFET的应用可靠性具有重大的
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碳化硅功率MOSFET由于工作温度、耐受电压、开关频率以及效率均远高于硅器件,被广泛应用于新能源汽车、光伏发电、航空航天、城市轨道交通等领域。然而,碳化硅功率MOSFET具有较高的开关速度,即较大的dv/dt,这会带来如过冲电压、过冲电流、电路中过大的电磁干扰、电机系统中的绝缘老化等问题。因此,对碳化硅功率MOSFET的dv/dt进行一定的控制或者抑制对提高碳化硅MOSFET的应用可靠性具有重大的意义。目前,在应用层面主要采用的思路是通过增加栅极电阻值来抑制过大的dv/dt,而当dv/dt减小的同时开关损耗也会随之增加。因此,采用传统的驱动方式没办法很好的平衡碳化硅功率MOSFET的dv/dt与开关损耗之间的折中关系。基于此,本文以碳化硅功率MOSFET的dv/dt控制为研究对象,采用可变栅极电阻的有源驱动方式,提出了一种让变换器可以在整个可运行功率范围内充分利用其dv/dt耐受能力且降低开关损耗的dv/dt控制策略,设计并制作了基于该dv/dt控制方法和控制策略的boost变换器,有效降低了整个功率范围内的开关损耗。通过仿真与实验相结合的方式,充分验证了该dv/dt控制策略的有效性和先进性。本文的主要内容包括:（1）针对碳化硅功率MOSFET的开关过程与开关损耗之间的耦合关系,详细分析了碳化硅功率MOSFET的开通、关断过程,推导了dv/dt与开关损耗之间的近似关系以及不同功率等级下的变化情况。同时建立了碳化硅功率MOSFET的dv/dt与电磁干扰幅值的定量关系,分析了不同dv/dt情况下,电磁干扰幅值的变化趋势。通过仿真与实验相结合的方式,验证了理论推导的正确性。（2）针对碳化硅功率MOSFET的开通、关断dv/dt在线采集问题,提出了一种基于包络线提取的开关dv/dt在线采集方法。首先,阐述了该dv/dt在线采集方法的基本原理,重点推导了采集电路中关键电气参数的选值标准和取值范围。随后,分析了dv/dt峰值采集电路的传递函数和截止频率。通过Multisim仿真软件研究了高速运放带宽和压摆率以及包络线提取电路的电阻和电容等参数的取值对采集精度的影响。最后搭建实验验证平台,验证了设计的dv/dt在线采集电路在6-12k V/μs的范围内线性度良好。实验与仿真共同验证了该dv/dt在线采集方法的原理和有效性。（3）针对碳化硅MOSFET的开关dv/dt与开关损耗的折中关系,且基于碳化硅MOSFET的开关dv/dt随功率变化的规律,提出一种将整个可运行功率范围内的碳化硅功率MOSFET的dv/dt控制在固定目标值上的控制策略。其次,分析了本文采用的可变栅极电阻有源驱动的控制原理以及结合提出的dv/dt控制策略之后的控制逻辑。通过MATLAB/Simulink仿真软件验证了不同dv/dt控制目标下该控制策略均能够不同程度地减小开关损耗。此外,搭建额定600W的实验验证平台,研究了可变栅极电阻有源驱动对碳化硅MOSFET的开关dv/dt在整个功率范围内的可控性以及动态特性。最后,对比并分析了传统固定栅极电阻驱动方式和基于提出的dv/dt控制策略的有源驱动的开关损耗,验证了提出的dv/dt控制策略能够减小开关损耗的有效性和可行性。本文的研究成果能够有效降低碳化硅功率MOSFET在部分负载时的开关损耗,从而提高变换器的效率。为长时间工作在轻载工况下的变换器提供了进一步提高效率的思路,也为碳化硅功率MOSFET的有源驱动应用提供了新的dv/dt控制策略。
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