SiC MOSFET驱动电路的串扰抑制及短路保护研究

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宽禁带半导体器件SiC MOSFET凭借其开关速度快、工作频率高、导通损耗小、耐高温等方面的优势,在太阳能光伏、电动汽车、高频电源等领域逐渐取代传统的硅基功率器件。随着开关速度的提高,开关过程中的di/dt和d V/dt也会逐渐增大,且器件及电路中存在着大量的寄生参数,会给系统带来严重的电磁干扰,其中桥臂串扰便是由SiC MOSFET功率侧较高的di/dt和d V/dt通过密勒电容和源极杂散电感耦合到驱动回路中引起。另一方面,由于SiC MOSFET具有芯片面积小、短路电流大、发热位置集中等方面的特点,导致其短路耐受时间和耐受能量均较小。SiC MOSFET在以上两方面的缺陷限制了其高频应用,因此本文将从SiC MOSFET驱动电路的角度入手,针对串扰抑制及短路保护两方面展开研究。第一部分分析了SiC MOSFET桥臂串扰产生的机理。以桥式电路同步Buck变换器为例,分析了SiC MOSFET的开关过程,基于器件数据手册及实验提取的参数,计算出电压和电流的暂态波形。其次在开通与关断的不同阶段分析了串扰产生的机理,考虑密勒电容的非线性特性、漏-源极电压的过冲与振荡过程、共源极杂散电感和体二极管反向恢复等非理性特性,建立串扰的数学模型,并进行了仿真验证。最后通过改变Buck变换器中的各类电路参数来分析串扰电压的变化趋势。第二部分设计了SiC MOSFET串扰抑制的驱动电路。基于上述桥臂串扰的机理分析,提出了两种串扰抑制电路。其一为基于RC电位延迟的多电平驱动电路,通过RCD电压等级转换器产生负的栅极驱动电压,与控制端一致的驱动信号经过RC串联电路延迟后接入到辅助N沟道MOSFET的输入端,实现三电平驱动的功能;其二为被动式密勒钳位抑制电路,通过该辅助电路来改变SiC MOSFET在开关瞬态期间驱动回路的阻抗,将密勒电流释放至地,从而有效地抑制了串扰。最后仿真和实验验证了串扰抑制效果的可行性。第三部分设计了SiC MOSFET短路保护的驱动电路。以硬开关短路故障和负载短路故障为例,从半导体物理的角度对其失效机理进行了分析。其次通过改变器件及电路中的相关参数,分析了短路波形的变化趋势。最后,基于饱和电压检测法和栅极电流检测法,提出了一种两级软关断短路保护电路,通过减缓SiC MOSFET的关断速度来避免器件遭受损坏,仿真验证了短路保护性能的可靠性。本文采用了理论分析、仿真和实验验证的方法对SiC MOSFET驱动电路中的串扰问题及短路保护问题进行了研究。基于上述方法研究桥臂串扰的产生机理、短路失效机理,并在传统的驱动电路上进行优化改进,将更大程度上发挥SiC MOSFET的工作效能,这对宽禁带功率半导体器件应用的发展具有重要的意义。
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