论文部分内容阅读
作为先进功率半导体器件的典型代表,SiC器件凭借高频特性、低损耗、耐高温高压等优良特性,大幅提升电力电子设备的功率密度和环境适应度。在SiC功率器件家族中,SiC MOSFET因其与Si IGBT在应用领域的高重合度,成为当下研究热点。器件的可靠性是完成更新换代绕不开的问题,而SiC MOSFET短路鲁棒性又是其中关键,本文以此为切入点,研究其短路行为特性、可靠性及其故障检测。SiC MOSFET短路特性的理论层面上,着重介绍了各类短路故障下器件外部参数和内部微观机理的变化,对桥臂直通短路时器件分压问题展开探讨,并从失效前兆、失效模式等角度简要分析了器件的短路失效机理。针对器件短路全程承受高压大电流的特点,从安全和可控性角度出发,本文设计并搭建了一款能够模拟各类型短路故障的SiC MOSFET短路测试平台。基于该平台,在硬开关短路和负载短路模式下,评估了包含母线电压、驱动参数等因素对SiC MOSFET短路特性的影响。结合实验数据及仿真结果,探讨了包含母线电压、负载电流、驱动电压等参数对桥臂直通短路分压效果的影响。考虑到SiC MOSFET的温度依赖性,基于非稳态热传导原理建立芯片短路热电模型,描述了故障期间器件内的温度分布情况。通过该模型,本文横向比较了三款SiC MOSFET的短路可靠性,同时也证实了桥臂直通短路中上下管间结温差的正反馈效应进一步加剧了其分压失衡从而严重削弱了SiC功率拓扑短路鲁棒性。针对传统退饱和短路检测方案中消隐时间阻碍检测速度的弊端,提出一种基于SiC MOSFET的可变消隐时间Vds检测改进方案,解决了传统方法中消隐时间设置过小可能引发的误保护问题,加快了检测进程。相关仿真和实验的结果进一步验证了该检测方案中的消隐时间能随器件开通情况的变化达到自适应,有效缩短短路故障保护响应时间,降低短路热效应对芯片的冲击。该论文有图90幅,表8个,参考文献89篇。