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近年来,Si基功率半导体器件经过长足的发展,其整体性能已趋于硅材料的极限,但该类器件的局限性已经成为制约电力电子技术未来发展的瓶颈之一。而SiC功率半导体器件可以更好地弥补Si基功率半导体器件在大电压量级和大功率方面的缺陷,因此SiC功率半导体器件已经引起了业内广泛的关注。本文的研究目的主要是设计出能够快速驱动SiC GTO开通与关断的低功耗驱动电路。研究的重点不仅是追求极高的驱动电流上升率与下降率,而且在SiC GTO导通期间关断门极驱动电流,较大限度地降低功耗。 首先,从SiC功率半导体器件的发展概况出发,阐述了SiC功率半导体器件的诸多优良特性和在涉及电力电子领域的现代电力系统中的应用。然后,针对具有代表性的SiC BJT和SiC GTO双极型功率半导体器件在基本结构、工作原理和工作特性方面分别进行了介绍,并结合典型的电流型驱动电路,提出了低功耗驱动电路的设计思想。根据电路设计思想对基本器件进行了分析和选型,在已设计驱动电路的基础上,提出了低功耗驱动电路的整体设计方案:选用霍尔传感器作为SiC GTO主回路信号采集器,利用CMOS反相器输出高阻态的特性将NMOS作为开关元件,并采用反馈回路来控制驱动电路的通断。 在低功耗驱动电路整体方案的基础上,对三种控制电路的设计方案进行了理论分析和验证性测试。第一种是基于PMOS场效应管的控制电路设计方案,在1.5kHz下,关断驱动电流的时间占据整个开通时间的比例约为35%;第二种是基于多个MOS场效应管的控制电路设计方案,在1.5kHz下,关断驱动电流的时间占据整个开通时间的比例约为75%;第三种是基于运算放大器的控制电路设计方案,在1.5kHz下,关断驱动电流的时间占据整个开通时间的比例约为65%。三种电路设计方案均可在不同程度上降低驱动电路开通期间的功率损耗,尤其是基于运算放大器的控制电路拓扑结构最简单,因而理论上具有较高的可靠性,并且提供的驱动电流从0到200mA所需的时间约为20ns。因此本文在电路结构的拓扑原理上验证了能够达到快速开通与关断SiC GTO并降低驱动电路功耗的目的。