基于氮化镓的高功率密度碳化硅驱动技术

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随着碳化硅器件(Si C)广泛应用,高频、高压的工作环境以及电力电子变换器高功率密度化的要求,给Si C器件驱动设计带来了新的挑战,主要体现为:高功率密度和小型化,更高的隔离性能,以及快速、精确保护能力。尽管谐振驱动是实现高开关频率下驱动损耗降低的有效方法,但存在结构、控制复杂,器件繁多的问题,驱动效率仍有较大的提升空间;尽管去饱和保护电路(DESAT)是一种最为普适性的功率器件短路保护电路,然而仍缺乏明确针对Si C器件短路特性,即短路耐受时间短、电流上升速度快,的DESAT电路设计准则以及高速DESAT短路保护电路的研究。针对以上问题,为实现高功率密度的Si C驱动模块,本文从降低驱动损耗,实现快速保护以及提高驱动级功率密度三个方面出发,研究基于低压氮化镓(Ga N)器件的碳化硅驱动技术。首先,本文提出了一种新型的基于Ga N混合谐振栅极驱动器,将谐振导通与有源箝位关断有机结合,不仅大幅度降低谐振驱动能量回馈中的反向恢复损耗,并可有效避免高速Si C半桥器件中的串扰问题。与基于Si MOSFET的全桥谐振驱动相比,该拓扑结构具有控制简单,驱动速度快,反向恢复损耗低和外形尺寸小的优点,实现了29%的回路面积降低,栅极驱动器损耗降低了49.3%。其次,为了保障Si C在发生短路故障时可以安全可靠的关断,本文在分析其短路特性基本规律的基础上,针对Si C短路耐受时间较短、短路下器件漏源极电压拐点不明显等特征,展开DESAT电路中关键参数的研究,并制定了其工程化设计的参考标准。在此基础上,本文进一步提出了基于Ga N的高速、低传输延时的DESAT短路保护电路,在仿真中,短路保护电路的驱动动作延时仅为常规基于硅器件DESAT电路的23.2%。基于Ga N的DESAT短路保护电路与提出的新型的基于Ga N混合谐振栅极驱动器相配合,共同构成高功率密度的Si C驱动模块。
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