碳化硅MOSFET驱动技术研究

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当前,随着电力系统的智能化发展和能源互联网的构建,电力电子设备的应用越来越引起人们的重视。功率开关器件作为功率变换器中的重要组件,其成熟程度也决定了电力电子设备的发展程度。目前常用的MOSFET、 IGBT等功率开关器件均是以硅型半导体为基础的,但是由于硅材料存在难以克服的缺点,使其发展受到了极大的限制。一方面,硅半导体的最高工作电压比较低而且导通电阻较高,使得硅功率半导体器件的开关损耗无法达到理想状态。另外,硅的禁带宽度及导热率均比较小,从而限制了器件的最高工作温度及最大功率。因此,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体器件以其优良的特性引起了广泛的关注。而在高电压和大功率应用领域,碳化硅(SiC)较氮化镓(GaN)更具优势。作为宽禁带器件,碳化硅(SiC)的禁带宽度是硅的3倍,击穿场强是硅的10倍,热导率是硅的2.5倍。碳化硅(SiC) MOSFET是一种较为成熟并已经投入商业化应用的宽禁带开关器件,具有击穿电压高、热导率高、开关频率高等良好的特性。将碳化硅(SiC) MOSFET应用到光伏并网逆变器等电力电子设备中,可以使功率密度和效率有显著的提高。目前,关于碳化硅(SiC) MOSFET的研究主要集中在碳化硅(SiC)MOSFET模型的建立以及其优良性能的测试上,对碳化硅(SiC) MOSFET驱动的改进和优化研究比较有限。本文在总结现有硅功率开关器件驱动及其优缺点的基础上,提出了一种新型的碳化硅(SiC) MOSFET驱动方案,并对碳化硅(SiC) MOSFET串联驱动设计进行了分析。首先对现有驱动技术应用到碳化硅(SiC) MOSFET上存在的问题进行了分析。在此基础上,介绍了新型驱动方案的工作原理以及消除串扰的原理,并将其应用到同步Buck变换器中进行分析。通过LTspice仿真和实验对新型驱动结构进行了验证。最后,对MOSFET串联问题进行了分析,并通过LTspice软件对碳化硅(SiC) MOSFET开关器件的串联均压结构进行了仿真。研究的主要内容如下:(1)分析了碳化硅(SiC)功率器件的发展现状与应用意义,并综述了碳化硅(SiC) MOSFET应用技术的研究现状,在此基础上分析了碳化硅(SiC)MOSFET驱动的设计要求。(2)分析了新型碳化硅(SiC) MOSFET驱动的基本原理,并针对其基本工作过程进行了详细的说明和分析。(3)针对新型碳化硅(SiC) MOSFET驱动,以同步Buck变换器为平台,通过LTspice仿真和实验对桥式电路串扰的消除进行了验证。(4)针对功率开关器件串联运行问题进行了分析,介绍了串联MOSFET均压问题的研究现状;并对驱动结构应用于碳化硅(SiC) MOSFET串联拓扑中进行了分析和仿真。
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