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SiC MOSFET模块驱动保护电路研究

文阳  
【摘要】:随着电力电子技术的飞速发展,以硅(Si)材料为基础的功率器件性能难以满足日益增长的技术需求。凭借着碳化硅(SiC)材料优良的特性,碳化硅金属氧化物半导体结构场效应晶体管(SiC MOSFET)在高频、高压、高温以及大电流电力电子应用中具有显著的优势。然而,较高的开关速度所带来的电气应力、开关振荡以及EMI问题,较弱的短路承受能力以及大功率应用中多管并联所导致的并联均流等问题都给SiC MOSFET模块的广泛应用带来了严重阻碍。为了解决上述问题,本文从SiC MOSFET模块建模、驱动电路技术、保护电路技术以及并联均流技术四个方面入手开展理论与实验研究工作。主要研究内容和成果如下:1.提出了一种SiC MOSFET行为模型参数校正方法。首先,对SiC MOSFET行为模型暂态精度影响因素进行了理论与仿真分析。通过分析发现,影响SiC MOSFET行为模型暂态精度的参数按照敏感性依次为CGD、CGS、VGS,th、RG,int、gm、CDS和CDj。在此基础上,提出一种SiC MOSFET行为模型参数校正方法。最后,在SABER仿真软件中,在不同栅极电阻、工作温度、开关电流、母线电压和外加栅极电容条件下进行了双脉冲实验与仿真测试。结果表明,所提出的SiC MOSFET行为模型参数校正方法在不同的应用工况下都具有较好的效果。2.提出了一种改善SiC MOSFET模块开关性能的多级栅极电压主动驱动技术。首先,详细分析了驱动电路各参数对SiC MOSFET模块开关特性的影响。在此基础上,提出了一种多级栅极电压主动驱动技术,在SiC MOSFET电流和电压斜率阶段,通过降低栅极驱动电压来抑制dV/dt和dI/dt引起的过冲和振荡。最后,在不同的工作温度和负载电流下,利用双脉冲实验对多级栅极电压主动驱动技术的性能进行了验证。结果表明,与传统驱动器相比,采用最优延迟时间的多级栅极电压主动驱动技术可以有效地减小SiC MOSFET模块的开关电气应力、抑制由高速开关与寄生参数带来的开关振荡,并且可以兼顾开关损耗与电气应力之间的关系。此外,多级栅极电压主动驱动技术在大功率电力电子应用中更具成本和效率优势。3.提出了一种基于功率检测的SiC MOSFET模块短路保护策略。首先,介绍了 SiC MOSFET模块短路类型及特征。分析了 SiC MOSFET模块短路性能的影响因素,包括驱动电压、母线电压及工作温度。其次,详细分析并讨论了现有退饱和检测与dI/dt检测保护电路在SiC MOSFET短路保护应用中的缺陷。在此基础上,提出了一种基于功率检测的SiC MOSFET模块短路保护策略。最后,在不同短路工况下,利用单脉冲实验对所提出的短路保护方法的可行性以及优势进行了实验验证。结果表明,基于功率检测的SiC MOSFET模块短路保护方法在不同短路情形下可以快速地检测并关断短路电流。相比于传统驱动器,其不存在检测盲区,保护响应速度更快。4.提出了一种用于改善SiC MOSFET模块并联均流性能的可变栅极电压主动并联均流策略。首先,对影响SiC MOSFET模块并联均流性能的各个参数进行了理论与仿真分析。其中包括驱动器参数、功率模块参数和功率回路参数。在此基础上,提出了一种通过在开关过程中动态调整栅极驱动电压来实现并联SiC MOSFET模块间电流沿和电流斜率自动同步的主动均流策略。然后,针对多只SiC MOSFET模块并联应用,利用仿真方法对主-从和链式控制拓扑下的可变栅极电压主动并联均流策略的效率和精度进行了对比分析。最后,在不同工况下,利用多脉冲实验对所提出的均流策略的可行性以及优势进行了实验验证。实验结果表明,可变栅极电压主动并联均流策略可以有效改善并联模块间电流均流问题。此外,在多只SiC MOSFET模块并联应用中,采用主-从控制拓扑可以获得更好的电流均流性能。


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