SiC MOSFET串联短路分压特性与短路保护研究

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相比传统硅基器件,Si C(碳化硅)MOSFET依托宽禁带半导体材料的优势,在高压、高频、高温等领域有着更为广阔的发展前景,器件特性、驱动设计、短路保护已成为目前关注的热点及难点。电力电子装置内部功率器件击穿或控制失效时,将导致多个器件处在短路回路中,形成复杂的串联短路。阐述单个器件短路特性的文献很多,但缺少对功率拓扑结构中串联短路的分析。本文在掌握Si C MOSFET基本特性的基础上,以桥臂串联短路现象为切入点展开研究,并设计外围电路实现基于UCC 21750驱动器的短路保护方案。为突出Si C MOSFET短路可靠性的难点,在串联短路分析和短路保护中加入Si IGBT进行对比。首先,本文阐述了Si C MOSFET的元胞结构、工作原理和输出特性,通过仿真分析具有高温特性的内部参数,并构建Si C MOSFET的寄生参数模型。随后,本文从实验原理、器件选型、参数测量、驱动设计四个方面介绍双脉冲实验平台,以ROHM公司的分立器件Si C MOSFET(SCT3105KLHR)为研究对象,选择耐压和电流等级相近的Si IGBT(RGS50TSX2DHR)作对比,并对实验平台的功能进行测试,分析不同驱动电阻对器件开关特性的影响。接着,本文基于半桥结构,分析了Si C MOSFET的串联短路动态分压特性,结合开关过程中电压、电流的变化分析串联短路分压原理,并在输出特性曲线上标注器件的分压路径。根据器件的短路耐受能力设定串联短路时间,通过改变驱动电压、负载电流、母线电压研究Si C MOSFET串联短路分压特性的变化趋势。实验结果表明,与Si IGBT由一个器件承担高压不同,Si C MOSFET具有均压特性。最后,本文针对Si C MOSFET退饱和方法的有效性进行分析。基于器件的短路特性阐述退饱和检测原理,Si C MOSFET必须在更短的时间内关断。搭建UCC 21750驱动器的外围电路,以一类短路实验条件为例,验证针对Si C MOSFET退饱和保护方法的有效性,并与Si IGBT退饱和方法进行比较说明。改变消隐电容和母线电压观察短路保护时间的变化,实验表明选择合适的参数可有效关断Si C MOSFET。
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