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sic功率mosfet驱动与应用电路的研究

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SiC功率MOSFET驱动与应用电路的研究

作者：沈吉文西安理工大学

学位级别：硕士

sic作为一种宽禁带的半导体材料,具有击穿电场强度高、电子饱和漂移速度高、热导率高等优点,因而使sic功率mosfet拥有高耐压、快开关速度、低损耗等特性,广泛地用于高频电力电子技术领域。本文主要针对sic功率mosfet的驱动和应用电路进... 详细信息

sic作为一种宽禁带的半导体材料,具有击穿电场强度高、电子饱和漂移速度高、热导率高等优点,因而使sic功率mosfet拥有高耐压、快开关速度、低损耗等特性,广泛地用于高频电力电子技术领域。本文主要针对sic功率mosfet的驱动和应用电路进行了探究,主要研究内容如下:首先,简述了 sic功率mosfet的结构特点及其I-V特性,分析了影响其静态和动态特性的栅极驱动电压和栅极电阻等主要参数,对比了 sic功率mosfet与硅器件关键特性的差异,并对sic功率mosfet的开关特性进行了仿真分析。其次,依据sic功率mosfet驱动电路的设计要求,通过实验研究了不同驱动电阻Rg对sic功率mosfet的开关特性的影响。并在此基础上,基于BM6103FV芯片设计了sic功率mosfet的驱动电路,对栅极脉冲UGS波形进行了实际测量,验证了所设计的sic功率mosfet驱动电路有效可行。最后,基于sic功率mosfet设计了一款用于LED驱动的应用电路。对各电路模块的功能进行描述,并利用仿真和实验方法对所设计的电路进行了性能测试。结果表明,电路输出功率为65W,效率为91%,输出直流电压为19.4V,输出电流为3.5A,性能参数符合设计指标要求,并且体积小、功耗低。本文的研究成果可以为sic功率mosfet的推广应用提供参考。

关键词：电力半导体器件 sic功率mosfet 驱动应用电路

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sic功率mosfet损耗特性的研究

SiC功率MOSFET损耗特性的研究

作者：袁晨安徽工业大学

学位级别：硕士

随着当今科技的日渐发展,碳化硅功率器件备受人们的关注。以sic功率mosfet为例,其低导通电阻、耐高温和高开关频率等特性使之深受高电压大功率开关设备的青睐。sic功率mosfet开关损耗的真实估计对于准确预测功率电子器件的最大结温和效... 详细信息

随着当今科技的日渐发展,碳化硅功率器件备受人们的关注。以sic功率mosfet为例,其低导通电阻、耐高温和高开关频率等特性使之深受高电压大功率开关设备的青睐。sic功率mosfet开关损耗的真实估计对于准确预测功率电子器件的最大结温和效率至关重要,因此,正确的开关损耗计算公式尤为重要。传统测量开关损耗的方法对于像sic功率mosfet这样的功率器件缺乏一些物理角度上的理解。本文将从物理角度出发,对传统计算开关损耗的公式提出质疑。通过半导体器件仿真软件ATLAS对sic功率mosfet的开关动态进行建模仿真,分析流过sic功率mosfet的沟道电流与漏源极电流之间的差异,以及Si C功率mosfet的输出电容对开关损耗的真实影响,并用实验辅以证明,得到正确的开关损耗计算公式。当今商业化的半导体器件仿真软件中的迁移率模型大多数是基于Si器件的开发,并不能体现SiO2/Si C界面处的陷阱对于沟道中载流子的散射影响。通过引入能正确反映界面陷阱对载流子作用的迁移率模型,利用半导体器件仿真软件研究了界面陷阱对sic功率mosfet动态特性的影响。位于Si O2/sic界面处密度较高的陷阱,不仅俘获sic功率mosfet沟道中的载流子,而且对沟道中的载流子形成散射、降低载流子的迁移率,因而严重影响了sic功率mosfet的开关特性。研究结果表明,随着界面陷阱密度的增加,Si C功率mosfet开通过程变慢,开通损耗随之增加,而关断过程加快,关断损耗随之减小;但是由于沟道载流子数量的减少、导通电阻的增加,总损耗是随着界面陷阱密度的增加而增加。通过ATLAS的仿真结果与实验验证,证明了传统开关损耗计算公式的不准确之处。此外,采用ATLAS建立4H-sic mosfet模型,通过改变模型中的界面陷阱密度,定量研究界面陷阱对sic器件特性的影响。对今后sic功率mosfet的研究和发展起到了一定的作用。

关键词： sic功率mosfet 开关损耗界面态输出电容

基于扩展规格书数据的sic功率mosfet建模

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电气技术 2023年第7期24卷 47-55页

作者：王克柔吴忠强浙江艾罗网络能源技术股份有限公司杭州310063

本文提出一种实用的sic功率mosfet建模方法。所建立的模型可在图形化仿真软件中实现,用于电力电子电路损耗分析。首先,基于器件规格书数据建立器件的静态模型;然后,对sic功率mosfet的物理结构、物理特性进行分析,依据分析结果对规格书... 详细信息

本文提出一种实用的sic功率mosfet建模方法。所建立的模型可在图形化仿真软件中实现,用于电力电子电路损耗分析。首先,基于器件规格书数据建立器件的静态模型;然后,对sic功率mosfet的物理结构、物理特性进行分析,依据分析结果对规格书数据进行扩展,建立模型的各个动态部分,从而构成完整的模型;最后,建立多种商用sic功率mosfet模型,并对模型进行仿真和实验验证,验证结果显示模型具有令人满意的精度和适用范围。本文建模方法所用数据仅源自产品规格书,无须通过测量获取规格书之外的其他数据。

关键词： sic功率mosfet 建模反向恢复集总电荷模型双脉冲测试开关损耗

15 kV/10 A sic功率mosfet器件设计及制备

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固体电子学研究与进展 2021年第2期41卷 93-97页

作者：李士颜杨晓磊黄润华汤伟赵志飞柏松南京电子器件研究所宽禁带半导体电力电子国家重点实验室南京210016

报道了在150μm厚、掺杂浓度5.0×10^(14)cm^(-3)的外延层上制备15 kV/10 A超高压sic功率mosfet器件的研究结果。对器件原胞结构开展了仿真优化,基于材料结构、JFET区宽度和JFET区注入掺杂等条件优化,有效地提升了器件的导通能力,器件... 详细信息

报道了在150μm厚、掺杂浓度5.0×10^(14)cm^(-3)的外延层上制备15 kV/10 A超高压sic功率mosfet器件的研究结果。对器件原胞结构开展了仿真优化,基于材料结构、JFET区宽度和JFET区注入掺杂等条件优化,有效地提升了器件的导通能力,器件比导通电阻为204 mΩ·cm^(2),击穿电压大于15.7 kV,在漏极电压15 kV时,器件漏电流为10μA,漏电流密度为12μA·cm^(-2)。在工作电压1.7 kV、导通电流10 A条件下,开通时间和关断时间分别为140 ns和84 ns。

关键词： sic功率mosfet 阻断电压 15 kV 比导通电阻动态特性

基于模型的sic功率mosfet温升估计研究

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基于模型的SiC功率MOSFET温升估计研究

作者：陈思彤哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

碳化硅功率mosfet由于同时具有宽禁带器件耐高温、耐高压的特性,和功率mosfet驱动损耗小,开关时间短的优点,可以保证良好的工作特性和较高的稳定性,满足汽车、电源、航空航天等系统对电力电子设备在能量密度、工作效率、节能环保等方面... 详细信息

碳化硅功率mosfet由于同时具有宽禁带器件耐高温、耐高压的特性,和功率mosfet驱动损耗小,开关时间短的优点,可以保证良好的工作特性和较高的稳定性,满足汽车、电源、航空航天等系统对电力电子设备在能量密度、工作效率、节能环保等方面日益提高的要求,因此越来越成为研究和使用的热点。但在较高的开关频率下碳化硅功率mosfet可能会产生振荡,过压和过流,这会造成巨大的开关损耗,导致器件温度上升,影响器件的性能甚至造成器件失效。因此对其进行特性建模和暂态分析,进而研究其工作特性并对其进行温升估计对保证器件和系统工作稳定性均具有重要意义。基于此,本文围绕ST公司生产的SCT30N120型号的碳化硅功率mosfet进行了如下工作:首先,建立sic功率mosfet静态模型。对器件工作原理的理解和对器件性能的准确测量是对器件进行建模分析和温升估计的基础。为获得器件静态特性,搭建基于B1505A功率半导体测试仪的高温测试平台,对SCT30N120进行了测试,得到其宽温度范围内的输出特性、转移特性、通态电阻、阈值电压、寄生电容等参数曲线,并对其进行曲线拟合建模,为后续对动态特性的精确拟合建立基础。其次,对开关暂态过程进行建模及仿真分析。建立电路简化模型并对碳化硅功率mosfet开关暂态过程进行分析,利用matlab对状态方程进行求解,建立的动态模型基于实验测试结果对阈值电压、导通电阻的温度特性及寄生电容的非线性特性进行考虑。通过这种建模方式,可对寄生电感、驱动电阻进行改变,研究寄生参数和驱动回路设置对开关过程的影响;并考虑了温度对阈值电压、导通电阻等参数的影响,可对温度进行设置,研究温度对开关暂态的影响。再次,通过有限元建模的方法,基于碳化硅功率mosfet内部微观物理结构,建立器件有限元模型并对其各部分温升进行计算,对芯片可容许最大功率进行估算,此外改变散热条件和工况,对热应力进行分析。基于建立的模型和芯片热阻的定义,对热阻进行计算;进行瞬态仿真,得到器件温度瞬态响应曲线,提出热阻网络模型,基于此可对芯片温升进行估计。最后通过仿真,研究改变驱动电阻对器件损耗及开关行为的影响;并基于建立的热阻网络模型,进行瞬态仿真实验,研究器件温升情况。

关键词： sic功率mosfet 动静态模型暂态过程温升估计

基于sic功率器件的光伏系统DC-DC设计

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基于SiC功率器件的光伏系统DC-DC设计

作者：白民洁西安电子科技大学

学位级别：硕士

目前全世界光伏发电产业发展迅速,产生的电能需要通过完善的并网系统才能接入电网使用。在这个并网系统中,升压DC-DC和逆变是两个基础环节,前者完成光伏阵列直流电压和逆变所需直流电压之间的转换和匹配,后者完成直交转换进行电网馈入... 详细信息

目前全世界光伏发电产业发展迅速,产生的电能需要通过完善的并网系统才能接入电网使用。在这个并网系统中,升压DC-DC和逆变是两个基础环节,前者完成光伏阵列直流电压和逆变所需直流电压之间的转换和匹配,后者完成直交转换进行电网馈入。在整个逆变系统转换过程中,为了使得电能更经济地进行传输,效率是最主要的考量因素;而DC-DC调整器在此系统中作为光伏阵列和逆变装置之间的纽带,它的性能是提高能量转换效率的关键。在DC-DC电路中,开关器件在开关过程中会产生能量消耗,从而使能量的转换效率降低,产生损耗的同时也会使设备大量发热,降低设备的使用寿命。为了降低开关器件的开关损耗,各种软开关技术被开发出来。利用ZVT软开关技术可以大大降低大功率电能变换装置中电力器件的开关损耗,进而提升整体效率。本文在研究软开关技术的基础上,利用sic材料的优良特性,将碳化硅功率MOSFT以及基于sic材料的肖特基二极管应用在调整器的设计中,其一,降低在电流较大地的情况下功率器件的的导通损耗;其二,由于sic器件热损耗小、散热快、耐高温,功率器件所需散热片的体积可以得到缩减,从而提高设备的功率密度。本文完成的主要工作是在Si C功率mosfet的理论分析基础上,设计了基于Si C材料的大功率ZVT PWM Boost调整器的主电路。对基本功率主电路的结构做了有效改进,并对元件进行了合理选取和参数优化设计。针对主电路的结构和应用要求,完成了控制驱动模块的设计。使用仿真软件Cadence OrCAD对所设计的主电路和控制驱动电路进行仿真实验,实现了电路的功能。通过仿真方法分别研究了基于Si C功率器件的变换器的转换效率和基于Si功率器件的变换器的转换效率,并对两个转换效率进行了对比。工作于4kW,负载电流为10A时,基于sic功率器件的变换器效率为98.15%,相比基于Si功率器件的变换器效率提升了3.15%;为了降低输出过冲电压,本文还在控制驱动模块中,验证了一种简便高效的软启动控制电路,使得主电路在100V到400V的大电压大升压比的情况下,过冲电压为零,启动时间最短可以达到15ms,这对于高压设备安全性的提高有重要作用。基于sic功率器件的变换器效率得到提升的同时,由于功率器件热损耗减小,所需散热片面积约为基于Si功率器件的变换器的1/5,大大减小了变换器体积。本文最后制作了整体样机,并进行了功能测试,控制板所产生的控制信号可靠稳定,验证了仿真结果,证实了该控制方案的可行性,同时,由于实验设备的原因,在变换器工作于约2kW,负载电流约为4.7A的状态下,测试了其转换效率,实验结果表明效率可达97.4%,相比Si功率器件有明显提高,验证了sic功率器件在提高设备转换效率方面的优势。

关键词：光伏系统 ZVT PWM Boost变换器 sic功率mosfet 转换效率

考虑器件工作温度影响的Si C功率mosfet建模

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中国电机工程学报 2020年第3期40卷 932-941页

作者：滕咏哮高强张乾徐殿国哈尔滨工业大学电气工程系

提出一种基于MATLAB/Simulink的sic功率mosfet全工作区变温度参数建模方法。在Si基横向双扩散mosfet模型的基础上,采用与温度相关的电流源和电压源补偿器件漏极电流和阈值电压的变化。通过补充实验拓展sic功率mosfet的饱和区工作特性曲... 详细信息

提出一种基于MATLAB/Simulink的sic功率mosfet全工作区变温度参数建模方法。在Si基横向双扩散mosfet模型的基础上,采用与温度相关的电流源和电压源补偿器件漏极电流和阈值电压的变化。通过补充实验拓展sic功率mosfet的饱和区工作特性曲线,并根据Si C功率mosfet的工作特性,采用数学拟合的方法来提取模型参数。在保留各个参数物理意义的同时,摆脱建模过程对物理参数的依赖。在不同电压、电流及温度(25~200℃)的情况下对器件的输出特性、转移特性、阈值电压、导通电阻及开关损耗进行测试,将测试结果与MATLAB/Simulink模型仿真结果进行性比较。模型仿真结果与实际测试结果一致,开关损耗误差在7%之内,验证了模型的准确性及有效性,为实际应用Si C功率mosfet时系统性能及损耗分析提供参考依据。

关键词： sic功率mosfet 全工作区域变温度参数模型 MATLAB/Simulink模型

碳化硅mosfet模型研究及等效高温开关电源设计

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碳化硅MOSFET模型研究及等效高温开关电源设计

作者：吕蕾蕾东北大学

学位级别：硕士

常温下开关电源的功率器件主要是基于硅(Si)材料,而其工作结温度的上限值一般为125℃。由于开关电源在工作中会产生大量热量,需要的冷却系统都很庞大,额外的增加了系统的复杂性和不稳定性。新一代的碳化硅(sic)功率器件很好地克服了基... 详细信息

常温下开关电源的功率器件主要是基于硅(Si)材料,而其工作结温度的上限值一般为125℃。由于开关电源在工作中会产生大量热量,需要的冷却系统都很庞大,额外的增加了系统的复杂性和不稳定性。新一代的碳化硅(sic)功率器件很好地克服了基于硅材料的功率器件所存在的散热问题,其工作结温度可以达到250℃,降低了对冷却系统的依赖。因此研究基于sic功率器件的高温开关电源对于促进高温电源系统的发展有重要意义。本文的主要目的是为设计一款高温开关电源做铺垫,主要是从高温器件模型建立和等效高温开关电源设计两个方面进行研究。本文完成的主要工作如下：在高温器件模型建立方面,首先对功率金属-氧化层半导体场效应晶体管(mosfet)和sic材料进行了介绍;接着对sic功率mosfet的阈值电压、沟道有效迁移率、导通电阻和体漏电流的温度特性进行深入研究;然后建立sic功率mosfet器件模型,其中模型主要由内核mosfet.温度相关器件和开关模式电容三部分构成;最后将所建立模型的仿真结果和标准实验值进行对比并验证所建立模型的正确性。在等效高温开关电源设计方面,首先深入分析了移相全桥零电压开关(ZVS)的工作原理,同时还研究了变换器控制回路所要用到的设计理论;接着对这个系统进行总体的介绍并给出所要设计变换器的技术指标;然后,根据技术指标,完成功率电路中的功率器件的选型、变压器的制作、滤波电感电容和隔直电容的确定;最后,完成对控制电路中的保护电路、采样电路、电流环斜坡补偿电路和电压环反馈补偿电路的设计。最后将sic功率mosfet模型应用到所建立的等效高温开关电源中,经仿真表明：首先,本文所建立的等效高温开关电源能够正常的工作;其次,本文所建立的sic功率mosfet模型在25℃和175℃宽温区范围具有较高的精确性和可靠性。

关键词：高温开关电源 sic功率mosfet 器件模型移相全桥

负压集成高可靠sic mosfet驱动策略的研究与电路设计

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负压集成高可靠SiC MOSFET驱动策略的研究与电路设计

作者：王佳妮电子科技大学

学位级别：硕士

随着电力电子产业的不断发展,现代功率电子设备被扩展到了更高压更高频更高效的工业应用中。而宽禁带半导体材料的特性使sic mosfet在高压、高频、高温、高效、高功耗的电动和混合动力汽车以及太阳能逆变器等应用领域中脱颖而出。由于Si... 详细信息

随着电力电子产业的不断发展,现代功率电子设备被扩展到了更高压更高频更高效的工业应用中。而宽禁带半导体材料的特性使sic mosfet在高压、高频、高温、高效、高功耗的电动和混合动力汽车以及太阳能逆变器等应用领域中脱颖而出。由于sic mosfet在栅极电荷、导通电阻、I-V曲线特性等方面与Si mosfet不同,所以专用的sic mosfet驱动芯片的研发设计是必需的。根据sic mosfet的器件特性和开关特性,确定了sic mosfet驱动芯片的一些基本设计要求:负压关断、高压电平驱动、大电流驱动、电源电压欠压解锁判定、过流保护等。于是本文就以上驱动设计要求,对sic mosfet驱动芯片的高可靠性驱动策略以及高可靠性负压电源轨做出了具体设计。提出了一种动态密勒钳位的大电流驱动策略,并集成负压电荷泵提供稳定负压。设计了浮动电源轨为薄栅氧器件提供5V压差电源轨,增设动态控制的密勒钳位管保证sic mosfet的栅极电压不受串扰的影响。为提供稳定负压,基于电压采样反馈模型,本文设计了一种闭环线性负压电荷泵电路,利用简单的电荷泵结构实现了正压到负压的转换,线性闭环环路采集电荷泵输出端信息通过环路反馈到电荷泵输入端以调节电荷泵输出,并在外部输入设定电压VEESET的基础上设置环路基准电压,以达到外部输入设定电压调控电荷泵输出的目的。在Simplis中搭建环路,设置合理的零极点和带宽,验证了闭环线性电荷泵的稳定性。实现了VEESET大于10V时,VEE为-8V的稳定输出。电荷泵开关系统的驱动级与sic mosfet驱动级类似,根据需求在高低侧的驱动级都设置了动态密勒钳位抑制串扰现象。整体驱动芯片还搭载了基准、线性稳压器、电流偏置、去饱和过流检测、欠压锁定、过温保护,以保证驱动芯片的稳定性、完整性和可靠性。基于0.18μm BCD高压工艺,500k Hz的系统开关频率,1200V的功率级直流电压,20V的驱动电平,完成了负压集成高可靠sic mosfet驱动策略的电路设计和仿真验证,在1n F负载电容模拟sic mosfet输入电容时实现了低至7ns的驱动沿,17ns的驱动延迟,4A的驱动电流及150V/ns以上的抗串扰能力,满足对sic mosfet的驱动设计要求。负压集成电荷泵实现了输入设定电压VEESET与输出电压VEE的理想设定关系,在VEESET大于10V时提供了稳定可靠的-8V输出电压。

关键词： sic功率mosfet sic mosfet驱动抗串扰能力密勒钳位负压电荷泵