SiC MOSFET短路特性和驱动保护电路的研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ZXYCHENLI
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随着现代电力电子技术在新能源汽车、海上风电、无线充电等领域的广泛应用,激起了全世界的电力电子研究者对高功率密度变换器和新型半导体材料的追求。传统Si材料的功率半导体器件已经很难满足工程需求,而新型的宽禁带半导体材料例如碳化硅(Si C)、氮化镓(Ga N)因为在体积、效率和开关频率上有着显而易见的优势,开始在产业中崛起并慢慢占据市场份额。Si C MOSFET凭借着器件本身耐高压,耐高温,高频低损耗的特性,慢慢在工程应用上替代传统的Si材料的功率器件。然而高速的开关动作,可能会带来更多开关震荡、电压、电流应力以及EMI干扰的问题。此外,当Si C MOSFET发生短路时,由于Si C MOSFET的电流密度大,热量上升快,且短路耐受时间短,容易发生器件的损坏甚至整个电气设备的烧毁。为了让Si C MOSFET能够在电气设备中安全可靠的运行,对Si C MOSFET的基本特性、短路特性以及驱动保护的研究就显得极为重要。本文首先从器件的材料出发,将Si C材料和传统的Si、Ga As材料放在一起进行对比分析,详细讲解了Si C材料在各个方面上的优势。总结了目前市场上几种比较常见Si C MOSFET结构,针对每种结构进行了细化的结构图形分析,并对Si C MOSFET工作原理进行讲解。详细的分析了Si C MOSFET的静态特性和工作模态。通过LTspice软件仿真和实验更深入的了解Si C MOSFET的开关特性和相关的影响因素。接着介绍了Si C MOSFET的两种短路情况并详细的解释了短路的原因。通过LTspice软件对短路情况进行了仿真,并且搭建短路实验平台。通过仿真和实验的结合,分析了短路情况下器件的输出特性。并在此基础上,研究了驱动电路和主电路中各种参数对Si C MOSFET短路情况的影响,从中找出主要因素,为以后研究人员设计Si C MOSFET驱动和保护提供一些指导性建议。最后介绍了几种Si C MOSFET的短路保护方法,分析了各种方法的工作原理,指出了其中的优缺点。着重分析了退饱和检测短路保护电路,列出了保护值和盲区时间的计算方法。本文利用了退饱和检测的方法设计了一种可以直接集成到传统的Si C功率半导体驱动器中的短路保护电路。完全独立于驱动程序,它可以轻松地与绝大多数类型的驱动程序结合,而不会增加太多复杂性。搭建了实验平台,通过实验验证了短路保护的可行性。该论文有图91幅,表5个,参考文献83篇。
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