大功率SiC MOSFET驱动电路及功率回路振荡问题研究

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SiC MOSFET具有开关速度快、耐压高、导通电阻小和热导率高等特点,在轨道交通、新能源发电、智能电网等领域逐步得到应用。但在SiC MOSFET的应用中,开关瞬态的高di/dt、dv/dt与电路的寄生参数相互作用引起的开关振荡问题严重影响器件及系统的可靠性,此外SiC MOSFET还存在短路承受能力较弱的问题,这些问题对驱动、保护电路及主电路的设计提出了更高的要求。本文针对SiC MOSFET的特性、驱动电路设计及功率回路振荡问题展开研究。首先,本文研究了SiC MOSFET的器件结构和工作特性,逐阶段对其开通和关断过程进行了详细分析,并根据传输电容和输出电容的非线性特征给出了参数提取方法,建立了SiC MOSFET的开关瞬态模型,通过双脉冲实验验证了模型的准确性。在此基础之上,基于上述模型仿真研究了驱动电阻、驱动电压、功率回路寄生电感以及栅源极电容对SiC MOSFET开关特性的影响。其次,对SiC MOSFET驱动电路中的驱动电压、电源、功率放大、隔离方式等关键部分进行了深入的对比、分析、设计和实验,给出了驱动电路设计的具体建议。针对SiC MOSFET较高的开关速度带来的过冲电压和振荡问题,研究了多级电平关断驱动电路的方案,分析了多电平关断驱动电路的作用机理,对不同负载电流和关断中间电平时的关断电压尖峰和开关损耗进行了研究,优选了多级关断中间电平与作用时刻,完成了一种多电平关断驱动电路的实现。针对SiC MOSFET短路承受能力弱的特点,对短路保护及软关断等方案进行了研究。实验验证了上述所提方法及电路的性能。最后,以电力机车全碳化硅辅助变流器功率回路的振荡问题为例,在充分考虑功率回路寄生参数的基础上,建立了SiC MOSFET关断振荡小信号模型,推导了解耦电容对于线路寄生电感完全解耦的条件,在频域上对高频振荡和低频振荡进行了分析。在此基础上,针对级联系统存在的低频振荡问题,提出一种低频振荡谐振分析模型,建立阻抗分析网络对低频谐振电流进行计算。最后仿真和实验结果证明了关断振荡分析以及谐振电流解析的准确性,并对系统参数设计提供了指导意见。
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