碳化硅功率器件高速應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、碳化硅功率器件具有高開關(guān)速度的特點(diǎn)，其開關(guān)損耗低，開關(guān)頻率高，對實(shí)現(xiàn)電力電子變換器的高效率及高功率密度具有明顯優(yōu)勢，迫切希望碳化硅功率器件在電力電子變換器中廣泛應(yīng)用。但是碳化硅功率器件的高開關(guān)速度也為其應(yīng)用帶來了一些問題，并且目前對這些問題缺乏深入研究，因此研究碳化硅功率器件高速應(yīng)用技術(shù)具有較大意義。本文針對以下內(nèi)容進(jìn)行了研究:
　　依據(jù)碳化硅功率器件的開通電流變化率、關(guān)斷電壓變化率與驅(qū)動回路中柵極電阻、柵極寄生電感、功率回路寄生

2、電感的關(guān)系，推導(dǎo)了柵極電阻、柵極寄生電感、功率回路寄生電感的設(shè)計(jì)范圍，從而指導(dǎo)驅(qū)動回路和功率回路設(shè)計(jì)。為了降低續(xù)流二極管和負(fù)載電感的寄生電容對開關(guān)特性的影響，根據(jù)碳化硅功率器件最大關(guān)斷電壓變化率，限制了兩種寄生電容的大小。為減少因測試不規(guī)范造成對開關(guān)特性測試結(jié)果的影響，規(guī)范測試開關(guān)波形時(shí)測試點(diǎn)的選擇和測試設(shè)備的使用。
　　為預(yù)測碳化硅功率器件開關(guān)行為，提出了一種基于數(shù)學(xué)建模方法的碳化硅功率器件分析模型。利用數(shù)學(xué)迭代法進(jìn)行求解，利用

3、數(shù)學(xué)公式分段擬合結(jié)電容和跨導(dǎo)系數(shù)的非線性特性，避免了使用簡化條件求解時(shí)域表達(dá)式和對結(jié)電容、跨導(dǎo)系數(shù)常量處理等兩方面造成預(yù)測結(jié)果不精準(zhǔn)的問題。基于所提出分析模型，得到了碳化硅功率器件溝道電流，用于評估開關(guān)損耗。對比了碳化硅功率器件各開關(guān)特性對電路中參數(shù)的敏感性，為優(yōu)化電力電子變換器性能提供理論指導(dǎo)。
　　針對非開爾文封裝和開爾文封裝的碳化硅功率器件串?dāng)_問題的形成機(jī)理進(jìn)行分析，得到了柵漏極結(jié)電容的位移電流和共源寄生電感上電壓為形成串?dāng)_

4、問題的主要因素?；谝陨戏治?，提出了一種低柵極關(guān)斷阻抗驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路先將共源寄生電感與驅(qū)動回路解耦，并在關(guān)斷柵極電阻上并聯(lián)電容旁路柵漏極結(jié)電容的位移電流，該驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)和控制邏輯簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
　　利用續(xù)流二極管及碳化硅功率器件關(guān)斷過程的端阻抗，分析了關(guān)斷過電壓及振蕩的形成機(jī)理，指出降低端阻抗或開關(guān)速度可達(dá)到抑制目的。為將部分寄生電感與功率回路解耦，降低關(guān)斷過程端阻抗，推導(dǎo)了橋臂并聯(lián)高頻解耦電容的設(shè)計(jì)原則。為解決高頻解耦電

5、容加入后關(guān)斷電壓上低頻振蕩和高頻振蕩疊加的問題，推導(dǎo)了高頻解耦電容串聯(lián)阻尼的設(shè)計(jì)范圍。為改進(jìn)串聯(lián)阻尼影響電容的解耦效果，提出了一種高頻解耦電容并聯(lián)電容-阻尼支路的方法，并給出了阻尼的設(shè)計(jì)方法。為避免增大柵極電阻，降低開關(guān)速度方法造成開關(guān)延時(shí)和開關(guān)損耗大幅度增加，提出了一種變驅(qū)動電壓變柵極電阻驅(qū)動電路，只在續(xù)流二極管和碳化硅功率器件出現(xiàn)關(guān)斷過電壓及振蕩階段降低碳化硅功率器件驅(qū)動電壓，增大柵極電阻，實(shí)現(xiàn)降低開關(guān)速度。該驅(qū)動電路對關(guān)斷過電壓及