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基于有源驱动电路SiC MOSFET瞬态性能的分析与优化

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基于有源驱动电路SiC MOSFET瞬态性能的分析与优化

作者：蒋艳锋北京交通大学

学位级别：硕士

与传统的硅(Silicon,Si)器件相比,碳化硅(Silicon Carbide,SiC)器件因具有更高的阻断电压,更低的导通电阻,更快的开关频率和更优的导热性能而使得电力电子设备可以在更高的功率密度下运行。但SiC MOSFET较快的开关速度会恶化开关过程中... 详细信息

与传统的硅(Silicon,Si)器件相比,碳化硅(Silicon Carbide,SiC)器件因具有更高的阻断电压,更低的导通电阻,更快的开关频率和更优的导热性能而使得电力电子设备可以在更高的功率密度下运行。但SiC MOSFET较快的开关速度会恶化开关过程中电压、电流的尖峰和振荡以及桥式电路中的串扰等瞬态性能。通过有源驱动电路改善驱动电压、驱动电流或驱动电阻,能够有效的优化SiC MOSFET瞬态性能,得到了国内外学者的广泛的研究。因此,本文基于有源驱动电路对SiC MOSFET的瞬态性能进行分析与优化。首先,为了优化SiC MOSFET开关波形的尖峰和振荡,本文对SiC MOSFET的基本特性进行了详尽的理论研究,包括SiC MOSFET的基本结构和工作原理,基于PSpice仿真软件,探究了SiC MOSFET相比Si MOSFET开关波形中尖峰和振荡的特性,以及电路中寄生参数对尖峰和振荡所造成影响的特点。为了减小开关尖峰和振荡导致的危害,本文进一步分析了开关波形尖峰和振荡的形成原因和抑制机理,并提出了一种电压注入型有源驱动电路,所提电压注入型有源驱动电路可以有效的抑制开通过程中漏极电流的尖峰和振荡以及关断过程中漏源电压的尖峰和振荡,且相对传统抑制方法能够在牺牲更小的开关损耗下,有效的抑制系统的电磁干扰。其次,针对SiC MOSFET在桥式电路中的串扰问题,分析了串扰的形成机理以及栅漏电容的非线性对串扰峰值的影响,指出不考虑栅漏电容的非线性的常规方法所计算的串扰峰值与实际值误差较大。为了对串扰峰值进行准确的预测,本文提出了一个基于栅漏电容非线性的串扰峰值计算方法,并在开尔文封装的SiC MOSFET进行了仿真和实验验证,仿真和实验结果证明所提方法相对现有的串扰峰值计算方法具有更高的准确度。最后,本文对零压驱动和负压驱动下桥式电路中的串扰特性进行了总结,归纳了能够有效抑制桥式电路中串扰的理想驱动波形,并根据串扰的形成机理和理想驱动波形,提出了串扰抑制的多电平有源驱动电路。同时对多电平有源驱动电路的控制模式和硬件设计进行了详细的描述,并通过半桥电路中进行了实验验证,实验结果表明串扰的正向尖峰和负向尖峰均在安全电压范围之内,使得桥式电路能够充分利用SiC MOSFET高频高效的优势。

关键词： SiC MOSFET 瞬态性能有源驱动电路尖峰和振荡串扰计算与抑制

SiC MOSFET建模与有源驱动电路研究

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SiC MOSFET建模与有源驱动电路研究

作者：邱嘉晖哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来宽禁带半导体器件凭借其优异于传统硅基器件的性能得到越来越多的关注。以SiC MOSFET为代表的宽禁带功率器件具有更高的耐压水平和耐高温能力,更适合在高频应用场景下工作,这一特性可以显著提高电力电子变换器的效率与功率密度,... 详细信息

近年来宽禁带半导体器件凭借其优异于传统硅基器件的性能得到越来越多的关注。以SiC MOSFET为代表的宽禁带功率器件具有更高的耐压水平和耐高温能力,更适合在高频应用场景下工作,这一特性可以显著提高电力电子变换器的效率与功率密度,对于提高系统的集成度具有显著意义。相应地,由于SiC MOSFET通常在较高的工作频率下运行,这导致由器件自身生产制造工艺及电路布局等因素引入的寄生参数对功率器件的安全可靠运行造成挑战。为此需要针对SiC MOSFET研究可以充分发挥其性能优势的驱动电路。首先,本文建立了一种考虑由于SiC MOSFET器件自身及电路布局而引入的寄生参数的半物理模型。在此基础上对SiC MOSFET的开通与关断过程进行分析与时序建模,将器件的开通与关断过程各自分为若干阶段从而对器件的开关期间的电压电流行为模式进行具体分析。基于SiC MOSFET的开关过程的时序建模分析,进一步分析计算各个阶段的持续时间,给出器件开关损耗的分析计算方法。为后续驱动电路的设计提供理论基础。其次,分析了SiC MOSFET驱动电路中的栅极驱动电阻对器件开关过程中漏源极电压与漏极电流震荡、超调的影响。分析了传统栅极驱动电路的不足之处,基于栅极驱动电阻对器件电压电流震荡影响的数学模型,提出一种可变栅极驱动电阻的有源驱动电路,通过仿真分析对驱动电路的合理性进行验证。在SiC MOSFET开关过程的时序分析建模以及对于器件开关损耗分析的基础上,结合器件开关过程中电压电流震荡的分析,提出了一种对器件漏源极电压变化率进行闭环控制的SiC MOSFET有源驱动电路,通过在开通和关断过程中调整注入栅极的驱动电流,实现提高器件开关性能、减小电压电流震荡,同时降低SiC MOSFET器件开关损耗的目的。通过仿真分析对所提出有源驱动电路的合理性进行论证最后,分析了用于评估功率器件开关暂态特性的双脉冲测试原理,搭建了双脉冲测试硬件实验平台。针对所提出的基于开关轨迹优化的有源驱动电路给出相应的硬件方案设计。基于双脉冲测试进行传统栅极驱动电路和本文所提出有源驱动电路的对比测试,验证基于开关轨迹优化的有源驱动电路的有效性和可行性。

关键词：宽禁带半导体寄生参数建模分析有源驱动电路

改善SiC MOSFET开关特性的有源驱动电路研究

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电气传动 2021年第16期51卷 21-26页

作者：卢乙李先允王书征何鸿天周子涵南京工程学院电力工程学院江苏南京211167

针对碳化硅金属氧化物半导体场效应管(SiCMOSFET)开关过程中存在的电流、电压过冲和振荡问题,首先对SiCMOSFET的开关过程进行详细分析,得出电流、电压过冲和震荡的产生机理,然后根据影响过冲和振荡的关键因素,分别提出了电流注入型、变... 详细信息

针对碳化硅金属氧化物半导体场效应管(SiCMOSFET)开关过程中存在的电流、电压过冲和振荡问题,首先对SiCMOSFET的开关过程进行详细分析,得出电流、电压过冲和震荡的产生机理,然后根据影响过冲和振荡的关键因素,分别提出了电流注入型、变电压型和变电阻型有源驱动电路,并通过LTspice仿真软件验证了所提有源驱动电路的有效性,最后搭建实验平台对所提变电压型有源驱动电路进行实验验证。实验结果表明,所提变电压型有源驱动电路能够在牺牲较小开关损耗的条件下,有效抑制SiCMOSFET开关过程中的电流、电压过冲和振荡。

关键词：碳化硅金属氧化物半导体场效应管(SiCMOSFET) 有源驱动电路 LTspice仿真软件过冲振荡

基于闭环di/dt和dv/dt控制的电压型有源驱动电路

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现代电子技术 2021年第22期44卷 37-40页

作者：刘艺瑞窦银科陈燕太原理工大学山西太原030024

SiC MOSFET的高频切换将不可避免地导致di/dt或dv/dt的增高,随即引起电压以及电流振荡。开关振荡会产生严重的负面影响,表现为电压尖峰、额外的功率损耗、电磁干扰(EMI)噪声。为了减缓SiC MOSFET漏源极电压的尖峰及振荡,文中设计一种基... 详细信息

SiC MOSFET的高频切换将不可避免地导致di/dt或dv/dt的增高,随即引起电压以及电流振荡。开关振荡会产生严重的负面影响,表现为电压尖峰、额外的功率损耗、电磁干扰(EMI)噪声。为了减缓SiC MOSFET漏源极电压的尖峰及振荡,文中设计一种基于闭环di/dt和dv/dt控制的电压型有源驱动电路。该有源驱动电路通过控制栅源电压波形控制SiC MOSFET的开关速度,进而抑制电压电流的尖峰和振荡。将所设计的有源驱动电路在半桥斩波电路中进行仿真验证,仿真结果表明,该有源驱动电路可以有效地实现预期功能;且相对常规电路,该驱动电路所需元器件少,控制过程简单。

关键词： SiC MOSFET 有源驱动电路闭环控制电路设计电压振荡抑制仿真验证

多晶硅TFT有源OLED两管像素电路的研究

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发光学报 2003年第6期24卷 645-649页

作者：司玉娟陈新发杨晓萍刘式墉吉林大学通信工程学院吉林长春130025 吉林大学电子科学与工程学院吉林长春130023

在采用精确的模型基础上,利用AIM-Spice软件对有源OLED poly-Si薄膜晶体管(TFT)驱动电路和1×4矩阵电路进行分析研究。最后得到合理的电路参数,使OLED能够达到一定的显示亮度要求。在每帧时间内维持电流恒定,并且在时变的灰度信号作用... 详细信息

在采用精确的模型基础上,利用AIM-Spice软件对有源OLED poly-Si薄膜晶体管(TFT)驱动电路和1×4矩阵电路进行分析研究。最后得到合理的电路参数,使OLED能够达到一定的显示亮度要求。在每帧时间内维持电流恒定,并且在时变的灰度信号作用下能够良好地跟踪响应,最大程度上消除了TFT的一些非线性特性对OLED驱动电流的影响。为OLED显示器像素驱动电路的设计、参数选取、性能分析等提供依据。

关键词： OLED两管像素电路电致发光显示器有源矩阵有机电致发光显示 AIM-Spice软件有源驱动电路 P-Si薄膜晶体管电路设计

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SiC MOSFET有源驱动芯片设计

SiC MOSFET有源驱动芯片设计

作者：周杨乐西安理工大学

学位级别：硕士

随着电力电子技术的高速发展,其产品应用市场日渐扩大,以碳化硅(SiC)为代表的新一代宽禁带半导体器件逐步成熟,使电力电子技术得到新的探索领域和突破。S i C MOSFET具有较高的开关速度和较低的损耗,然而,较高的开关速度会引起电流电压... 详细信息

随着电力电子技术的高速发展,其产品应用市场日渐扩大,以碳化硅(SiC)为代表的新一代宽禁带半导体器件逐步成熟,使电力电子技术得到新的探索领域和突破。S i C MOSFET具有较高的开关速度和较低的损耗,然而,较高的开关速度会引起电流电压过冲和振荡等问题,甚至会产生额外的损耗。因此,本文对大功率SiC MOSFET的有源栅极驱动技术及芯片设计进行研究。论文首先对SiC MOSFET的开关过程进行详细描述,给出了过电流和过电压的理论推导,并对开关损耗进行深入分析,考虑了开关损耗与电气应力之间的折中关系。提出了一种分阶段动态调节驱动电压和驱动电阻的SiC MOSFET有源栅极驱动电路,通过在开关过程的电流上升及电流下降特定阶段内同时减小驱动电压和增大驱动电阻,从而抑制电流、电压尖峰及振荡,并降低开关损耗。在此基础上,论文根据实际应用需求确定了驱动芯片的设计指标,完成了芯片的整体架构设计,对带隙基准电路、比较器、反馈信号处理电路、逻辑控制电路和输出级驱动等模块进行了详细分析和设计。为进一步优化电路结构,论文基于NMOS和PMOS阈值电压及迁移率随温度的变化,设计了一种专为线性稳压器提供基准的基准源,避免了双极型晶体管以及运算放大器的使用,面积仅为传统带隙基准的1/7。最后设计的线性稳压器仅用一个高压管就可以将20V转为5V电压,整体电路结构简单,芯片面积较小。论文基于世界先进半导体(VIS)0.5μm工艺完成驱动芯片设计,使用Spectre和Virtuoso软件对电路模块和芯片功能进行仿真并完成版图设计验证。仿真结果表明:此驱动芯片可以给SiC MOSFET提供-5V～20V的驱动电压及2A的驱动电流,在不同的工作温度、驱动电阻、负载电流和母线电压下,与具有固定驱动电压和电阻的传统栅极驱动相比,该芯片可以有效地抑制电流、电压尖峰和振荡,并考虑了开关损耗与电气应力之间的折中关系。

关键词： SiC MOSFET 有源驱动电路过冲开关损耗