基于有源驱动电路SiC MOSFET瞬态性能的分析与优化

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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。
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