摘 要

近年来，SiC MOSFET以其优越的特性受到国内外学者的广泛关注，采用SiC材料的功率开关器件可以在高开关频率和高温状态下更好的进行工作，这使得其在很多场合能够代替Si基高频开关器件以显著提高电力电子装置的性能和工作效率。在电力电子系统中，SiC MOSFET的开关特性容易受杂散参数的影响，表现为电磁能量脉冲形态属性的非理想特性，这进一步影响系统了效率和可靠性。通过仿真，建立SiC MOSFET驱动电路模型和双脉冲测试电路进行分析和比较，提取影响SiC MOSFET开关瞬态过程的关键参数，分析驱动回路参数对其的影响，为实际应用中提高SiC MOSFET的开关性能提供理论依据。

关键词：SiC MOSFET 驱动电路 开关特性 杂散参数 双脉冲测试电路

Abstract

In recent years, SiC MOSFET has attracted wide attention from scholars both at home and abroad. The power switching devices using SiC materials can work better at high switching frequency and high temperature. This makes it able to replace the Si based high frequency switching devices in many situations so as to improve the performance and work of the power electronic devices. Efficiency. In the power electronic system, the switching characteristics of SiC MOSFET are easily influenced by the stray parameters, which represent the non ideal characteristics of the morphological properties of the electromagnetic energy pulse, which further affects the efficiency and reliability of the system. Through the simulation, the SiC MOSFET driving circuit model and the double pulse test circuit are analyzed and compared. The key parameters affecting the transient process of SiC MOSFET switch are extracted and the influence of the driving circuit parameters on it is analyzed. It provides a theoretical basis for improving the switching performance of SiC MOSFET in practical application.

Key words: SiC MOSFET ；drive circuit； switching characteristic ；spurious parameter double pulse test circuit

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 研究现状及意义 1

1.2 现有的研究方法 2

1.3 课题研究面临的主要问题 4

1.4 本文的研究内容 4

第2章 SiC MOSFET基本属性 6

2.1 场效应管 6

2.2 MOSFET的重要参数 6

2.2.1 MOSFET静态参数 7

2.2.2 MOSFET静态参数 8

2.3 SiC MOSFET基本特性 10

2.3.1 SiC MOSFET器件与Si基场控器件的特性对比 10

2.3.2 SiC MOSFET的驱动过程 10

2.3.3 SiC MOSFET驱动电路的要求 12

2.4 几种现有的驱动方法 14

2.4.1 PWM直接驱动 14

2.4.2 双极型晶体管推拉式驱动 15

2.4.3 MOSFET推拉式驱动 15

第3章 SiC MOSFET驱动电路设计 16

3.1 设计思路 16

3.2 电路隔离方式 16

3.3 驱动电路具体设计 17

3.4 测试电路 18

第4章 仿真实验与分析 20

总结 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1 研究现状及意义

电力电子是新兴的产业，在科技发展迅猛的背景下飞速发展，在电力电子行业的发展过程中，半导体技术扮演者非常关键的角色。在众多的器件之中，功率半导体器件一直是作为电力电子设备的核心存在。MOSFET是电力电子器件的一种，被广泛应用于电子工业高频、高效率开关中，在电力电子行业有很重要的地位。MOSFET的设计与诞生是为了满足更高工作频率及更高功率等级的要求，目前常用的MOSFET均是以硅型半导体为基础的，但是硅基器件由于其本身物理化学特性的限制，对于一些高温、高压、高效率及高功率密度的应用场合已经表现出一定程度的不适应，而对于高速发展的科技水平，这些都是必须要面对并克服的。

20世纪80年代后期，Si基功率开关器件的应用达到了理论极，这主要受Si材料本身物理性质的影响，这些极限很难突破，而电力电子行业的飞速发展时刻要求着开关器件的性能不断进步，因此将新的材料应用于功率开关器件就成了新的思路。SiC的击穿电场能够比Si高出一至多个数量级，因此在高功率工作场合下，SiC材料便变的更有竞争力，SiC的物理结构使其成为高性能大功率MOSFET非常理想的代替。除此之外，SiC特有的性质例如高击穿电场、高电子饱和速度以及高导热率等为其在很多更加复杂和更加严峻的工作环境下创造了更大的潜力。与硅材料相比，碳化硅材料具有较高的热导率，因此拥有较高电流密度，与相同功率级别的Si MOSFET相比，SiC MOSFET的导通电阻明显减小，开关损耗也大幅降低，这使其适用于更高的工作频率，另外高禁带宽度又决定了SiC 器件的高击穿场强和高工作温度，由于材料本身具有高温工作特性，大大提高了器件在高温环境下工作的稳定性。

如图所示为几种常见的SiC同型异构体与传统的Si、GaAs材料的性能参数对比。通过一系列数据可以很直观的了解到，与传统材料的半导体器件相比，SiC器件有更宽的禁带宽度、更高的临界击穿场强、更快的电子饱和漂移速度、更高的热导率和接近于Si的迁移率特。

表1 几种常见的半导体器件与SiC的性能参数对比

1.2 现有的研究方法

对于功率开关器件的开关特性的研究与控制，主要有三种控制方法，分别是从控制算法层面、主电路层面及驱动电路层面三个不同的角度对器件的开关特性进行控。控制算法层面主要包括死区控制及输出失真补偿两种方法，即直接控制开关器件的死区或在电路中加入补偿电路进行补偿，这两种方法可以解决由于电磁能量脉冲引起的电路系统故障及输出失真问题，但无法改善开关过程中由于寄生电容电感产生的电压、电流峰值和振荡等现象。主电路层面通过在主电路加入缓冲电路吸收开关过程中的部分电流和电压，从而抑制开关瞬态过程的过电流和过电压，同时另一方面采用软件开发技术改变功率开关器件的开关轨迹以减少开关损耗。但是，这两种方法都需要在主电路侧加入有源或无源元件，导致硬件系统尺寸和成本的增加。近年来，对器件开关瞬态过程的控制，更多学者提出并提倡从驱动电路层面进行研究，这种方法也受到越来越多的关注，主要可以分为三种控制方法：改变驱动电阻、改变驱动电压和改变驱动电流。与前两种控制方法相比较，驱动侧控制可控性更高，它附带的一个优点是无需改动主电路，这就避免了系统体积和损耗增加的问题。

在实际的开发和应用过程中，由于各种客观条件的限制，不能每项实验都能够采用实物，这对人力和物力资源都是一种浪费，这就很自然的想到对SiC MOSFET进行模型的搭建，在搭建出尽可能精确且符合实际情况的模型之后，进行仿真实验，从器件的基础运行情况模拟，然后再对各种外界条件进行模拟，得出对器件实际应用能够起到指导意义的结论，这可以为器件的研究工作带来很大的便利，也有利于对器件在实际应用中做出更加有效的分析。当然，这项工作是数年来国内外研究人员一直在做的，随着研究的日渐深入，人们对SiC材料的认识也越来越清晰，SiC材料带给MOSFET的很多优良性能也逐渐被研究清楚，这为器件的应用提供了良好的基础，尽管研究取得了非常大的进展，想要完全发挥SiC MOSFET的优良性能还需要更加深入的研究。查阅国内外相关文献，这些文献中部分将重点放在SiC MOSFET物理特性的建模，理论性特别强，虽然这种模型可以非常全面的反映出SiC MOSFET的各项特性，但它忽略了很多实际应用中的客观条件，因此显然工程应用中的分析和评估不能采用这种模型；一些文献采用了Si MOSFET的建模思想，北卡罗来纳州立大学的王军博士提出了一种适用于10kV SiC MOSFET的变温度参数建模方，在Si MOSFET的模型基础上，考虑到SiC材料具有的很多优良特性对原模型进行改进，这种建模方式对SiC MOSFET的建模具有普遍的指导意义，且建立出来的模型很具有参考价值，因此在业界已经得到了比较广泛的认可和接受。在实际的工作中，系统杂散参数对功率开关器件的开关特性会产生很多较为复杂的影响，研究人员在这方面也进行了广泛的研究，通过仿真和实验的方法研究驱动回路、主电路以及杂散电感、驱动电阻对MOSFET开关特性的影响，在大量的数据总结之后得出了比较一般性的规律和结论；还有一种相对比较细致且很有效的方法是分阶段对MOSFET的开关过程建模，比较全面地分析了器件结电容、杂散电感以及驱动电阻对器件开关特性的影响，这种方法实际操作起来会比较繁琐，但是得出的数据和结论更具有普遍性和参考性，也更符合实际的实验结果。然而这些研究主要针对一些特定的问题，对驱动回路参数的影响分析不够全面，也不具有一般性。为了使SiC MOSFET有更广泛的应用，其开关特性及驱动回路的研究任重而道远。

SiC是一种半导体材料，具有热稳定性极好、禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强大、电子饱和漂移速度块、熔点高、最高工作温度高等非常优良的物理化学性质，不仅如此，在兼容性方面，采用SiC制作的器件可以与硅集成电路能进行很好的兼容，因此它已经成为制造高温、高频、大功率存储器件和光电子集成器制作的首选材料。可以用作制造人造卫星、战机、雷达、火箭、导弹的材料，也可以用于石油钻探、深海勘测等对工作条件要求相当严格的科研工作场合，在民用方面，通信、汽车等，随着科技的发展，人们生活水平提升，生活中日常用到的用品会因为电力电子器件的加入而变得更加方便和高效。有如此广阔的应用前景，SiC自发现以来，其研究和应用一直受到许多国家的重视。

由于SiC作为半导体材料有很广阔的应用前景，美、英、日等国都确立了SiC器件的研究开发计，从SiC材料的基础物理化学性质到各种优于其他材料的特有性质，从建模仿真实验到实际生产应用，全方位研究SiC，力求将其能够很好的应用到各种场合并发挥其优良的性能。

1.3 课题研究面临的主要问题

在电力电子系统中，SiC MOSFET的开关特性易受系统杂散参数的影响，表现为电磁能量脉冲形态属性的非理想特性，并进一步影响系统的效率和可靠性。因此，研究分析SiC MOSFET开关瞬态过程，分析驱动回路参数对其的影响，对于研究SiC MOSFET的驱动控制方法有着重要的意义。SiC MOSFET虽然与Si MOSFET在结构上有很多相似的地方，但是两者实际的特性却存在较大的差异，因此在对SiC MOSFET建模的过程中就不能完全沿用Si器件模型的经验，必须要在传统模型的基础上结合SiC特有的性质进行改进和创新。SiC MOSFET有非常快的开关速度，在高频工作的电路中能发挥很好的效果，但它的栅极阈值电压小、耐负压能力弱、栅极寄生内阻大且有较多的寄生电容。为了使其能够适应高频的应用场合，驱动电路必须能够快速提供驱动电压且具有过流保护的能力，尤其是驱动电压的建立速度，如果不能提供所需要的驱动电压，SiC MOSFET的开关速度会受到很大的限制，这就使其发挥不了应有的作用，还有一个很关键的问题是高频驱动的桥臂电路，桥臂电路之间会有严重的干扰问题，驱动电路也必须具备一定的串扰抑制能。

1.4 本文的研究内容

本文在首先从SiC的基本属性开始介绍，在对其开关特性进行详细的分析后，得出使其可靠、安全驱动的要求，在现有较为成熟的Si MOSFET驱动电路的基础上进行改进，使其能够适应SiC MOSFET的工作环境。采用双脉冲实验，对SiC MOSFET开关过程中的关键参数进行测量，分析不同的驱动回路参数对SiC MOSFET开关特性的影响，并基于次给出驱动电路的设计方案。

全文一共分为四章，第一章绪论简单的介绍了SiC MOSFET在电力电子领域内的研究现状和研究意义，通过查阅文献资料，了解了现有的一些已经较为成熟的研究方法，针对SiC MOSFET的驱动方面，明确了此次课题所要面临的问题，并给出了初步的解决方案。

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