SiC MOSFET驱动及缓冲技术研究

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近年来,随着电力电子技术的快速发展,传统的Si材料由于自身物理特性限制,以其为基底的电力电子器件已不能满足高效率、高功率密度和其他特殊应用场合,而SiC功率器件开关速度快、损耗小,开关频率高,对实现电力电子变换器的高频化、小型化、轻量化具有明显优势。然而由于寄生参数影响,SiCMOSFET高开关速度引发了严重的过冲和振荡问题,并且在桥式电路应用时有桥臂串扰问题,影响器件工作稳定性和安全性,这就需要性能优良的驱动电路和缓冲电路,才能充分发挥器件优异的开关性能,使得SiC器件在高速高频化场合得到广泛应用。因此本文针对SiCMOSFET的缓冲技术及驱动电路进行了深入研究。
  基于SiCMOSFET的寄生参数等效电路模型,分析其在一相桥臂换流过程中的动态开关特性。考虑寄生电容的非线性变化和电路杂散电感的影响,推导了开关过程中的等效阻抗表达式,阐明了振荡形成原理。同时分析了桥臂串扰的原理,推导了正、负向串扰电压峰值表达式,分析了影响串扰电压峰值的各因素。搭建双脉冲测试实验平台,测试器件的基本开关特性以及振荡问题和串扰问题。
  无源缓冲电路是抑制SiC器件开关振荡的简单实用方法,针对在Si基器件中常用的三种无源缓冲电路:RC缓冲、RCD缓冲和箝位RCD缓冲,分析了三种无源缓冲电路抑制振荡的工作原理,从缓冲电容的工作电压范围、开关特性、开关损耗、参数设计难易程度等方面对三者进行了比较研究,最后结合SiC器件的高速高频特性,指出箝位RCD缓冲电路更适合SiC器件的高速高频特性。双脉冲实验验证了分析的正确性,通过实验研究了三种缓冲电路在不同工况下缓冲电容、缓冲电阻变化对器件开关特性和开关损耗的影响,为SiC器件缓冲参数设计提供参考。
  提出了一种驱动电阻的设计方法,解决了通常依靠大量实验试凑参数的问题。针对一种具有无源串扰抑制的驱动电路,综合考虑串扰抑制电容与驱动电阻的耦合关系,提出了一套串扰抑制电容与驱动电阻的参数优化设计方法。通过双脉冲测试实验验证了参数设计方法的可行性与有效性,以及设计参数的优化性。
  针对现有的串扰抑制电路吸收串扰电压而牺牲开关速度的问题,提出了一种SiCMOSFET新型驱动电路。该电路通过变驱动电阻加速器件开通关断,并将串扰电压箝位在固定电压水平,解决了开关速度和串扰抑制之间的矛盾,并给出了参数设计方法。通过LTspice仿真软件,相较于同类驱动电路,凸显了该驱动电路在开关速度和串扰抑制方面的优越性能,同时验证了参数设计方法的合理性。
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