基于SiC器件的高频逆变电源设计与控制

论文总字数：29705字

摘 要

近来SiC材料的电力电子器件逐渐引起人们的关注，SiC材料以其高临界电场、宽禁带、高热导率等特点赋予SiC器件体积小、耐压能力强、高温性能好等优势，使SiC器件在高频电源、电机驱动等高频率、大功率的场合上的应用逐渐广泛。本文调研了当前SiC器件在国内外的研究现状与应用现状，总结了SiC器件相对于传统Si器件的优越性，探讨了SiC器件的未来发展前景。在LTspice软件平台上采用Cree公司的CPM-1200-0025B型号SiC MOSFET模型与Si MOSFET、Si IGBT模型分别进行单管特性仿真，获得了其静态特性、动态特性等特性曲线，分析了SiC MOSFET的体二极管特性，通过比较证明了SiC MOSFET良好的高温特性，较低的开关损耗和优越的体二极管反向恢复特性。仿真结果表明SiC MOSFET的结温从25℃上升到150℃时通态电阻仅上升50%，开关损耗较Si IGBT小10倍；在对器件开关过程进行数学分析的基础上，设计了SiC MOSFET的串扰抑制电路；本文设计的栅源电压尖峰抑制电路可以在有效抑制电压尖峰的同时将开关速度提高30%，起到保护器件减小损耗的作用；最后对全桥逆变电路与半桥逆变电路优缺点进行了比较，设计了相关参数，将驱动设计应用于逆变电路中，并通过仿真证实了其可行性。

关键词：SiC MOSFET；LTspice；驱动电路；全桥逆变电路

Abstract

Recently, SiC power electronic devices have attracted much attention. Due to SiC’s high critical electric field, wide energy band-gap and high thermal conductivity, SiC devices feature small size, high voltage resistance and high temperature performance, which make them widely used in high frequency power supply, motor drive and other high power applications. This paper investigates previous research and application of SiC devices around the world, summarizes the advantages of SiC devices over traditional ones, and then discusses the prospects of SiC devices. Based on LTspice, this paper compares CPM-1200-0025B SiC MOSFET model with Si MOSFET and Si IGBT models in simulation of transistor characteristics, and obtains the static and dynamic characteristic curves. The result proves the theoretical superiority and unique characteristics of SiC MOSFET. Through the mathematical analysis of the switching process, the author of this paper designs the crosstalk suppression and gate source voltage spike suppression circuits of SiC MOSFET. After comparing full-bridge and half-bridge inverters, the author designs relevant parameters, applies driving design to the inverters, and proves the feasibility of these designs by simulation in the end.

KEY WORDS: SiC MOSFET; LTspice; drive circuit; full bridge inverter circuit

目 录

第一章 绪论 1

1.1 论文研究背景及意义 1

1.2 国内外研究与发展现状 1

1.3 本文的主要工作 3

第二章 SiC MOSFET特性分析 4

2.1 SiC MOSFET静态特性 4

2.1.1 输出特性及其与Si器件的比较 4

2.1.2 转移特性及其与Si器件的比较 5

2.2 SiC MOSFET动态特性 6

2.2.1 开关特性及其与Si器件的比较 6

2.2.2 关断特性及其与Si器件的比较 7

2.3 SiC MOSFET体二极管特性 7

2.4 本章小结 9

第三章 SiC MOSFET逆变器驱动电路设计与仿真 10

3.1 器件开关过程及驱动电路工作原理分析 10

3.2 驱动电路调研 15

3.3 驱动电路设计 18

3.3.1 串扰抑制设计 19

3.3.2 栅源电压过冲抑制设计 23

3.4 本章小结 25

第四章 逆变电路设计与仿真 26

4.1 全桥逆变电路与半桥逆变电路的比较 26

4.2 逆变电路参数设计 27

4.3 逆变电路仿真 29

4.4 本章小结 30

第五章 总结与展望 31

参考文献 32

致谢 33

第一章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

新世纪以来，我国的电力网络建设突飞猛进，在给经济社会发展提供有力支撑的同时，也给电力电子技术与器件提出了更高的要求。与此同时，世界范围内节能减排、保护环境的舆论共识，也让中国重视清洁能源、绿色能源产业的发展。在国家鼓励政策的驱动下，以光伏发电、风力发电等为代表的新能源产业逐渐发展壮大，而新能源发电与电力电子技术与器件密不可分。电力电子器件是电力电子技术的核心，是控制电能产生、传输、转换和存储的关键。数据显示，全世界约有70%的电能需要通过电力电子器件传输控制。因此改善电力电子器件的性能，对于提高能源传输效率具有重要意义。目前市场上应用最多的电力电子器件仍是传统的Si材料器件，如Si MOSFET，Si IGBT和晶闸管等。Si材料器件自上个世纪五、六十年代至今，已经获得了长足的发展，在各技术性能上已接近了材料物理特性所决定的理论上限，难以进一步满足节能减排、降低损耗的要求。

近年来以SiC为代表的宽禁带半导体材料逐渐引起了人们的重视，成为研究和应用领域的新星，国内外相关的研究成果、产品开发为电力电子器件与技术开辟了一个崭新的领域，带来了新的发展机遇。SiC材料具有宽禁带、高临界场强、高热导率等优势，对于降低电力电子器件的损耗有着显著优势。从上个世纪九十年代开始，西方国家对SiC材料的电力电子器件进行了长足的研究与开发，诸多类型的SiC电力电子器件被成功地应用到光伏发电、电机驱动等领域并实现了市场化。

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