Si IGBT和SiC MOSFET混合器件配比优化研究

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近年来,随着新能源技术、电动汽车以及多电飞机等领域的飞速发展,电力电子装置逐渐向高频、高效以及大容量方向发展。Si IGBT受材料的物理特性限制,其开关频率越来越难以满足高功率密度电力电子装置的需求。以SiC MOSFET为代表的碳化硅功率器件以开关速度快,开关损耗小以及耐高温特性成为应用于高频高温的理想器件。但受制造工艺技术限制,现阶段SiC MOSFET制造成本仍居高不下,而且电流等级较小,无法满足中大功率应用场合的要求。在此基础上,由Si IGBT和SiC MOSFET并联组成的Si/SiC混合器件综合了SiC MOSFET开关速度快以及Si IGBT的低导通电阻特性使得混合器件适用于中高频、大容量以及高功率密度等应用场合。通过在大电流等级的Si IGBT并联小电流等级的SiC MOSFET可以进一步减小混合器件的器件成本,提高其性价比。本文围绕混合器件电流配比优化方面进行研究,为混合器件选型提供理论依据。本文首先阐述了Si/SiC混合器件的工作原理以及控制策略。根据混合器件的导通特性设计了一款低成本高可靠性的驱动硬件电路。详细分析了Si/SiC混合器件开通关断过程,提出了混合器件开关损耗优化方法。其次,本文分析了混合器件电流配比对对器件性能以及器件成本的影响。提出了基于芯片面积的混合器件损耗数学模型以及SiC MOSFET热阻数学模型,基于混合器件模型设计了混合器件中SiC MOSFET的最小电流等级优化算法,仿真分析了在一定运行工况下的混合器件中最小电流配比。仿真并实验分析了混合器件电流配比对混合器件变换器性能的影响。提出了基于混合器件器件成本以及变换器效率特性分析的混合器件最优电流配比评估方法。搭建了混合器件短路特性测试平台,分析了SiC MOSFET电流等级对混合器件短路可靠性的影响。最后,本文设计并搭建了基于Si/SiC混合器件的Buck变换器实验平台,对比分析了Si/SiC混合器件、同等电流等级的SiC MOSFET以及Si IGBT三种不同器件的器件性能以及在Buck变换器中的性能,分析Si/SiC混合器件在提升变换器工作容量与工作频率方面的巨大优势。
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