SiC MOSFET建模与有源驱动电路研究

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近年来宽禁带半导体器件凭借其优异于传统硅基器件的性能得到越来越多的关注。以SiC MOSFET为代表的宽禁带功率器件具有更高的耐压水平和耐高温能力,更适合在高频应用场景下工作,这一特性可以显著提高电力电子变换器的效率与功率密度,对于提高系统的集成度具有显著意义。相应地,由于SiC MOSFET通常在较高的工作频率下运行,这导致由器件自身生产制造工艺及电路布局等因素引入的寄生参数对功率器件的安全可靠运行造成挑战。为此需要针对SiC MOSFET研究可以充分发挥其性能优势的驱动电路。首先,本文建立了一种考虑由于SiC MOSFET器件自身及电路布局而引入的寄生参数的半物理模型。在此基础上对SiC MOSFET的开通与关断过程进行分析与时序建模,将器件的开通与关断过程各自分为若干阶段从而对器件的开关期间的电压电流行为模式进行具体分析。基于SiC MOSFET的开关过程的时序建模分析,进一步分析计算各个阶段的持续时间,给出器件开关损耗的分析计算方法。为后续驱动电路的设计提供理论基础。其次,分析了SiC MOSFET驱动电路中的栅极驱动电阻对器件开关过程中漏源极电压与漏极电流震荡、超调的影响。分析了传统栅极驱动电路的不足之处,基于栅极驱动电阻对器件电压电流震荡影响的数学模型,提出一种可变栅极驱动电阻的有源驱动电路,通过仿真分析对驱动电路的合理性进行验证。在SiC MOSFET开关过程的时序分析建模以及对于器件开关损耗分析的基础上,结合器件开关过程中电压电流震荡的分析,提出了一种对器件漏源极电压变化率进行闭环控制的SiC MOSFET有源驱动电路,通过在开通和关断过程中调整注入栅极的驱动电流,实现提高器件开关性能、减小电压电流震荡,同时降低SiC MOSFET器件开关损耗的目的。通过仿真分析对所提出有源驱动电路的合理性进行论证最后,分析了用于评估功率器件开关暂态特性的双脉冲测试原理,搭建了双脉冲测试硬件实验平台。针对所提出的基于开关轨迹优化的有源驱动电路给出相应的硬件方案设计。基于双脉冲测试进行传统栅极驱动电路和本文所提出有源驱动电路的对比测试,验证基于开关轨迹优化的有源驱动电路的有效性和可行性。
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