【摘 要】
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以碳化硅（silicon carbide,SiC）MOSFET为代表的第三代宽禁带半导体器件,已广泛应用于开关电源、电动汽车和智能电网等领域。由于SiC MOSFET的高速开关能力,低导通压降,耐高温等优势使其成为替代Si IGBT的重要器件。但是SiC MOSFET的高速开关和低阻尼特性导致的开关振铃严重影响了其高可靠应用。振铃可能造成器件误触发从而损坏器件本身,增加功率损耗,并引入大量的电磁干
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以碳化硅（silicon carbide,SiC）MOSFET为代表的第三代宽禁带半导体器件,已广泛应用于开关电源、电动汽车和智能电网等领域。由于SiC MOSFET的高速开关能力,低导通压降,耐高温等优势使其成为替代Si IGBT的重要器件。但是SiC MOSFET的高速开关和低阻尼特性导致的开关振铃严重影响了其高可靠应用。振铃可能造成器件误触发从而损坏器件本身,增加功率损耗,并引入大量的电磁干扰（EMI）噪声。因此,要充分发挥SiC MOSFET的潜力和优势,必须对其开关性能进行研究。为了在功率变换器的设计阶段准确地预测和描述SiC MOSFET的开关波形,本文建立了一个考虑温度影响的SiC MOSFET SPICE模型。其次,本文提出了分别适用于SiC MOSFET开通和关断振铃过程的两个简化等效电路模型,从而指导了直流端RC缓冲电路的设计。针对本文研究内容,现有研究仍存在以下问题:SiC MOSFET行为模型的搭建:现有的SiC MOSFET模型与实验波形仍有一定差别,不能完全准确的预测实验波形;大多数文献基于厂商提供的数据手册进行建模,但数据手册中的特性曲线可能存在误差,其所包含的信息并不足以对特定器件进行建模;此外,使用同轴分流器测量电流时,未考虑电流测量回路寄生参数对测量波形的影响,进而影响SiC MOSFET模型参数的拟合以及模型准确性的判断。直流端RC缓冲电路的设计:对于SiC MOSFET开通和关断的简化等效电路模型,大多数研究中通常假设开关振铃的激励源位于直流链路上,然而在实际电压源变换器中,直流链路电压通常被视为一个常数。根据基本线性控制理论,激励源位置对传递函数的推导有很大的影响,因此这种方法会导致传递函数计算不准确,对开关振铃的描述造成误差;由于四阶系统计算困难,现有的RC缓冲电路分析方法一般都依赖于简化的三阶电路模型。系统阶数的减少有利于分析和计算,但这种简化会影响RC缓冲电路的设计准确性。针对以上问题,本文首先通过功率器件分析仪测量了SiC MOSFET的静态特性曲线,并搭建了SiC MOSFET端口电容测量电路通过阻抗分析仪对器件C-V曲线进行测量,避免了厂商提供的特性曲线存在误差的情况;基于测量参数改进了栅漏电容(Cgd)与漏源电容(Cds)的建模,建立了一个考虑温度影响的SiC MOSFET SPICE模型;提出对同轴分流器电流测量回路寄生参数进行建模,同时搭建了碳化硅肖特基续流二极管仿真模型,以便有效的验证SiC MOSFET模型的效果。然后考虑高频电磁干扰实际上是功率器件的快速开关引起的,因此将激励源放置在SiC MOSFET本身,提出了更准确的SiC MOSFET开通和关断简化等效电路模型;加入直流端RC缓冲电路对器件的开关振铃进行抑制。由于振铃的本质是由极点虚部引起的,本文通过主动配置极点的方式,提出了RC缓冲电路的优化设计方法。采用穷举法确定可以完全抑制振铃的RC区域,该方法可以推导出同时抑制开通振铃和关断振铃的缓冲区域,解决了四阶系统计算困难的问题。最后以Cree公司的SiC MOSFET C2M0080120D为例,设计搭建了双脉冲测试平台。在LTspice软件中搭建仿真电路,并与相同条件下的实验结果进行对比分析。结果证明,本文改进的考虑温度影响的SiC MOSFET SPICE模型,可以更好的预测和描述实验波形。同时,同轴分流器电流测量回路寄生参数的建模增加了模型的准确度。改进的SiC MOSFET开通和关断简化等效电路模型可以准确的解释振铃现象,为缓冲电路的设计提供理论指导。本文所设计的关断和开通直流端RC缓冲电路均能实现开关振铃的完全抑制,且比简化为三阶系统的计算方法抑制效果更好。
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