论文总字数：30384字

摘 要

碳化硅材料的功率MOSFET器件作为一种新型电力电子开关器件，因其具有开关速度高，器件尺寸小，额定电压高，导通电阻小等特点，成为了当前电力电子领域的研究热点。采用碳化硅材料的功率MOSFET器件作为开关管的新型逆变电路，可以很好的满足当前社会对于大功率，高电压，高频率，低损耗的逆变电路的需求。

本文对采用碳化硅材料的功率MOSFET器件作为开关管的新型逆变电路的研究包括以下几个方面：

首先，介绍了碳化硅材料功率MOSFET器件的结构，并对其导通电阻，体二极管，寄生电容等寄生参数进行了介绍并建立了相应的模型，同时比较了碳化硅材料与传统硅材料相比的优点。

其次，本文设计了采用碳化硅材料功率MOSFET器件作为开关管的新型高频逆变电路，采用光耦隔离以及高低端门极驱动芯片为逆变电路设计了驱动电路，并为逆变电路设计了过流保护，过压保护，过热保护电路。

之后，建立了碳化硅材料功率MOSFET器件的导通和关断过程的等效电路模型以及相应的数学模型，并基于碳化硅材料的功率MOSFET器件的寄生电感较低，寄生电容非线性，跨导非线性三个特点提出了较为精确的开关损耗计算模型。并基于该逆变电路开关频率较高导致开关损耗过高的问题为其提供了零电压开关技术的解决方案。

最后，进行仿真实验,搭建了采用碳化硅材料功率MOSFET器件的全桥逆变电路，并对软开关的效果进行了分析。

关键词：高频逆变电路，碳化硅，MOSFET，软开关技术

Abstract

As a new kind of power electrical device in the market, SiC power MOSFETs become more and more popular in the area of power electronics, because of their advantages like high switching speed, small size, high rated voltage and small conducting resistance. The novel inverter using SiC power MOSFETs can easily meet the requires of the market, such as large power, high voltage, high frequency, low loss.

The researching areas about this novel inverter using SiC power MOSFETs below are covered :

First, the structure of the SiC power MOSFETs is presented, as well as the model of their parasitic parameters like conducting resistance, body diode, parasitic capacitances. In the meanwhile, the advantages of SiC power MOSFETs compared with the devices using traditional Si are introduced.

Second, the design of a novel inverter using SiC power MOSFETs is presented, including the full bridge topology of the inverter, the driving circuit with optocoupler isolation and bootstrap operation gate driver IC, and the fault detection and protection circuits.

Third, an analytical switching process model of SiC power MOSFETs for loss calculation is presented. The mathematic model for loss calculation is more accurate because it takes three characteristics of SiC power MOSFETs, low parasitic inductances, the nonlinearity of the junction capacitances of the device, and the nonlinearity of the transconductance of SiC power MOSFETs, into consideration. Because of the high frequency of the inverter, the switching loss is considerable, so a zero-voltage switching strategy is introduced to solve this problem.

Last, the simulation experiment is built, including H-bridge inverter and zero-voltage switching strategy.

KEY WORDS: high frequency inverter, SiC, power MOSFETs, soft switching

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 碳化硅材料电力电子器件及其应用的发展概况 2

1.3 本文的主要研究内容 3

第二章 碳化硅MOSFET功率器件及其建模 4

2.1 功率MOSFET介绍 4

2.2 功率MOSFET的建模 5

2.2.1 导通电阻 6

2.2.2 体二极管 7

2.2.3 寄生电容 9

2.3 本章小结 10

第三章 高频逆变电路的设计 11

3.1 逆变电路拓扑结构 11

3.1.1 逆变电路的基本工作原理 11

3.2 驱动电路的设计 13

3.2.1 驱动电路的设计 13

3.2.2 死区设置 14

3.3 保护电路的设计 15

3.3.1 简介 15

3.3.2 过流保护 15

3.3.3 过压保护 16

3.3.4 过热保护 17

3.4 本章小结 18

第四章 基于碳化硅材料功率MOSFET开关损耗的建模研究 19

4.1 电路模型选择 19

4.2 导通过程分析 20

4.2.1 第一阶段：延迟阶段 20

4.2.2 第二阶段：主要转换阶段 21

4.2.3 第三阶段：持续转换阶段 21

4.2.4 第四阶段：震荡阶段 22

4.3 关断过程分析 22

4.3.1 第一阶段：延迟阶段 23

4.3.2 第二阶段：主要转换阶段 24

4.3.3 第三阶段，持续转换阶段 24

4.3.4 第四阶段：震荡阶段 24

4.4 开关损耗计算 25

4.5 本章小结 26

第五章 软开关技术原理与仿真分析 27

5.1 简介 27

5.2 零电压开关技术 27

5.3 仿真实验与分析 31

5.4 本章小结 32

第六章 总结与展望 33

6.1 本文的主要工作总结 33

6.2 研究工作展望 34

致谢 35

参考文献 36

附录 37

绪论

课题研究背景及意义

第二次工业革命以来，电气逐渐走入人们的日常生活，成为人民生产生活的重要组成部分。随着时代的不断发展，经济和科学技术等领域都取得了快速的进步，人民生活水平得到了不断的提高，社会进入了工业化大发展，大繁荣的时期。随着科技水平的提高，人们对电的需求越来越大。同时，由于化石能源日益减少，以及保护自然环境的需要，为了减少污染，防止全球变暖的进程，电能作为清洁能源在人类的日常生产生活中变得越来越重要。随着科技水平的提高，人们对电的需求越来越大，电能作为绿色清洁能源逐渐取代了煤炭，石油等不可再生能源，磁悬浮列车，电动自行车，智能手机，电子计算机，电动汽车等得到了越来越广泛的普及。

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