SiC功率器件并联特性及串联驱动研究

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随着第三代电力电子功率器件的商业化,以碳化硅(Silicon Carbide,SiC)为代表的宽禁带半导体以其卓越的性能推动着电力电子技术的进步。受到现有生产工艺的限制,中高压大功率等级下,器件的串并联成为一种经济有效的扩容方式,然而寄生参数对于SiC器件串并联结构的均流均压特性的影响是亟待解决的问题。本文以SiC功率器件作为研究对象,在串并联提升功率等级的应用背景下,研究SiC MOSFET的并联均流特性及串联驱动电路结构。本文首先对现有的并联均流方式进行简要论述,为进一步研究SiC器件的并联均流特性,建立计及寄生参数的SiC MOSFET等效模型,量化分析具体的开通关断过程,给出各阶段SiC MOSFET的栅源极电压和漏源极电流数学模型。结合数学模型给出并联SiC MOSFET动态均流和静态均流临界条件,在此基础上分析了寄生参数差异在动态均流和静态均流中对均流效果的影响。基于SiC MOSFET的并联硬件实验平台对上述影响均流差异的参数进行验证性实验,确定均流过程中的主要影响参数及其影响关系,为并联方案设计提供有效依据。其次针对SiC MOSFET的导通电阻具有正温度特性的特点,研究了SiC器件损耗、温度和并联均流之间的耦合关系。结合参数模型和SiC MOSFET的开通、关断模型,对SiC MOSFET的器件损耗进行了推导,进一步采用离散化损耗-温度方程的方式,分析损耗提升结温对并联均流的影响趋势,在PLECS软件中验证了理论分析的正确性。最后,为了解决串联SiC MOSFET采用单个电源进行驱动时,传统有源钳位驱动结构会造成串联SiC MOSFET存在到驱动电压延迟进而造成动态不均压的问题,本文提出一种基于多绕组变压器的隔离型串联驱动结构,并分析了其工作原理、工作模态和提出相关器件设计方案,搭建了仿真模型对驱动方案进行验证。所提驱动结构既有效保证了控制侧和功率侧的电气隔离,又能实现串联SiC器件的驱动电压同步性和串联SiC MOSFET的动态均压。
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