SiCMOSFET双向开关的设计Word格式文档下载.docx

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2.1SiCMOSFET特性研究………………..……………………………………………………….….…..8

2.2实验元件的选取…………………………………………………………….……..………….………...9

2.3C2M0040120D的驱动电路……………….…….…………………………………………..…...14

3双向开关结构的研究……………………………………………..………………...……………………....23

3.1双向开关的结构………………………………………………………………………………………...23

3.2双向开关电路的保护技术………………………………………………………………………….25

3.2.1器件级的保护………………………………………………………………………..….…...25

3.2.2驱动级的保护…………………………………………………………..……………….…...25

3.2.2.1设计驱动保护电路的依据……………………………………………….26

3.2.2.2SiCMOSFET驱动保护电路方案概述……………………………....26

3.3驱动保护电路…………………………………………………………………………………………….28

3.4双向开关电力路的实际设计…………………………………………..………………………...28

致谢………………………………………………………………………………………………………………………..29

参考文献………………………………………………………………………………………………………………..30

第一章绪论

1.1课题背景及意义

功率电子开关设备是电子技术的基础和电子技术发展的平台。

1958年由通用电气（CE）开发的首款工业通用晶闸管（scr）它标志着电力电子开关技术的诞生，并宣布人类在电能转换和控制方面已经进入新的一个阶段，交流单元和固定式离子交换器已进入由电子开关构成的新型转换器时代。

目前，随着全球能源互联网的建设，风力发电和光伏发电大规模接入电网，使电力电子设备得到了大量应用。

电力开关设备在电力电子设备中起着重要的作用，其设计也影响电力转换器和其他设备的质量。

在目前的电子技术研究中，双向电子开关器件的相关研究占据关键的一个位置，其中诸如多电平逆变器，矩阵转换器，HEHRC逆变器等相关技术的关键组件包括双向开关装置。

多电平逆变器及相关技术的研究和应用主要针对高电压和大容量应用等类似场合。

作为近些年来现代电力电子技术的最新研究成果之一，多电平逆变器的相关研究受到了广泛关注并在一定程度上得到了应用。

多电平逆变器输出可以具有更多级别的输出电压波形，谐波含量小，波形接近正弦波，逆变器性能更好，更适合高电压大容量电力电子转换。

矩阵变换器相比于传统的交-直-交变换器优点众多，主要原因在于其自身的结构特点：

不需要稳压大电容和前端整流，结构紧凑，功率密度大，使其便于集成；

输入电流、输出电压同时可控，谐波污染小；

不存在直流侧单点故障等。

1.2国内外发展及研究现状分析

1.2.1SiC器件的发展概况

我们都知道，20世纪80年代后期，电力系统已发展成为具有跨区域联网，超高压，长距离传输特性的庞大系统。

自20世纪90年代后期以来，随着世界范围能源互联网的建设，以风电和光伏发电为代表的可再生能源大规模接入电网。

大力推动电力系统技术发展和进步。

而随着社会经济和电力系统的迅猛发展，人们对现代电力系统的运行控制提出了更高的要求。

更安全，更稳定，更灵活，更高效的动力系统正在成为人们追求的方向。

这也给现代电网的管理和运行模式带来了深刻的变化

在过去的十几年中，高功率半导体器件和变流技术的快速发展使现代高性能电力电子器件在电力系统应用中展现出无与伦比的强大的生命力。

与传统的电力系统控制设备相比较，现代高性能的电力电子器件具有一连串特点：

具有变流、变频和调相能力；

快速的响应性能（数ms）；

利用极小的功率控制极大功率；

高精度控制是可行的（对于50-60Hz系统，设备触发相位可精确到0.1）;

变流器体积小、重量轻等。

正因如此，近些年以来，电力电子技术在能源生产，输送，配送和使用的整个过程中的方方面面得到了广泛而重要的应用。

然而，与其他应用领域相比，电力系统要求电力电子具有更高的可靠性。

众所周知，目前使用的绝大多数功率开关器件仍然以硅材料为主。

近年来现代硅基功率半导体器件的快速发展和成熟导致各种新型高功率电力电子器件成功应用于各种工业电源，电机驱动，电力牵引，电力质量控制，可再生能源发电，分布式发电，国防和尖端科学技术。

硅在地球上储量大，成本低，室温下化学性质非常稳定。

硅功率器件的应用也非常成熟。

然而，随着对电子器件的需求越来越高，硅材料的电子和空穴迁移速度难以满足更高性能半导体器件的需求。

它自身的特点也限制了潮湿，高频的极端条件的应用[4]。

在硅所需的功率开关及其应用中，硅已达到其极限，因此寻找新的硅替代材料越来越受到重视[5-6]。

由于电压和功率容限方面的限制，这些硅基大功率器件必须使用器件串和并行技术以及复杂的电路拓扑来实现实际应用要求。

结果，装置的故障率和成本大大增加，这个问题大大限制了现代电力电子在现代电力系统中的应用。

与第一代半导体材料代表硅和第二代半导体材料代表砷化镓相比，碳化硅是第三代半导体材料的主要成员之一，具有宽禁带宽度，高导热率，高击穿电场，高电子饱和漂移率，低电子迁移率等特点[1-3]，它在高温，高压，大电流，高频，大功率电力电子领域具有广阔的应用前景，已成为半导体领域的研究热点。

表1.1列出了主要半导体材料的物理性质和应用比较。

与以硅为代表的第一代半导体材料和以砷化镓为代表的第二代半导体材料相比较，第三代半导体材料主要成员之一的碳化硅，具有宽禁带、高热导率、高击穿电场、高电子饱和漂移速率、低电子迁移速率等特性[1-3]，在高温、高压大电流、高频大功率电力电子领域有广阔的应用前景，成为半导体领域研究热点，表1.1罗列了主要半导体材料的物理性质及应用比较。

表1.1主要半导体材料的比较

材料

Si

GaAs

SiC

物理性质

禁带宽度（eV）

1.1

1.4

3.4

热导（

）

1.3

0.6

4.9

击穿电压（

0.3

0.4

2.7

电子饱和漂移速率（

电子偏移速率（

1350

8500

950

应用情况

光学应用

无

红外

蓝光/紫外

高频应用

差

好

高温性能

中

发展阶段

成熟

发展中

初期

相对制造成本

低

高

SiC（碳化硅）是由硅（Si）和碳（C）组成的化合物半导体材料。

它的介电击穿场强比Si强9倍，其带隙是Si的3倍。

当制造成器件时，它可以在很宽的范围内控制必要的p型和n型，因此它被认为是功率器件超过Si极限的材料。

SiC晶体很多，存在各种多型体，多型体的物理性质也各不相同。

4H-SiC最适合用于功率器件的生产。

表1.2半导体材料性质对比

Properties

4H-SiC

GaN

CrystalStructure

Diamond

Hexagonal

Zincblende

EnergyGap:

1.12

3.26

1.43

3.5

ElectronMobility:

1400

900

1250

HoleMobility:

600

100

400

200

BreakdownField:

3

ThermalConductivity

1.5

0.5

SaturationDriftVelocity:

1

2

RelativeDielectricConstamt:

11.8

9.7

12.8

9.5

p.nControl

〇

△

ThermalOxide

碳化硅绝缘击穿场强约为硅的10倍，因此在生产高压功率器件时漂移层具有较高的杂质浓度和较薄的从六百伏到几千伏的厚度。

高耐压功率器件的阻抗主要来自于该漂移层的阻抗，因此SiC制作的高耐压器件单位面积导通电阻非常低。

理论上，对于同一耐压器件，Si的单位面积漂移层的电阻是SiC的300倍。

在Si材料中，为了解决高导通电阻和高导通电阻的问题，主要解决方案是使用IGBT（绝缘栅双极型晶体管：

绝缘栅极双极型晶体管）这一类少数载流子器件，但是这也导致了开关损耗增大，而由此产生的热量会限制IGBT的高频驱动。

SiC材料使用高压器件作为多数载流子器件来实现高电压，低导通电阻和高频率。

另外，SiC的带隙比较宽，达到Si的3倍，因此，由SiC材料制成的功率器件即使在高温条件下也能够稳定地工作（尽管受封装的耐热性限制，只能保证150°

C〜175°

C，但随着未来封装技术的进步，可保证200°

C以上的温度）。

SiC可以在高频器件结构的SBD（肖特基势垒二极管）结构中获得1200V或更高的高压二极管。

（Si的SBD最高耐压为150V左右）。

因此，如果使用SiC-SBD取代快速PN结二极管（FRD：

快速恢复二极管）可以显着降低恢复损耗，这有助于电源的高效率，并且通过高频驱动实现线圈等无源器件的小型化，并且可以降低噪声。

它广泛应用于功率因数校正电路（PFC电路）和整流桥电路，如空调，电源，光伏发电系统中的功率调节器，以及电动汽车的快速充电器。

目前，罗姆的SiC-SBD主要产品线是600V，1200V，1700V产品正在开发中。

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）独特的物理和化学特性是制造高开关频率，高电压等级和高温器件的理想材料。

与氮化镓（GaN）相比来说，同质外延碳化硅（SiC）在高于600V的开关应用中更占优势，尤其是对于更高功率的应用。

碳化硅MOSFET是目前最成熟的功率开关器件，已投入商业化生产[7-9]。

1.2.2SiCMOSFET的发展情况

碳化硅（SiC）结场效应开关晶体管具有高输入阻抗，低噪声和良好的线性度。

它是目前正在开发中的最成熟的碳化硅（SiC）开关器件之一，也已投入商业应用。

JFET的生产工艺比较简单，不存在栅极氧化层缺陷导致的稳定性问题，载流子迁移率低，单极动态特性可使其在高频条件下稳定工作。

另一方面，JEFT设备可以在更高的温度条件下稳定工作[15-17]。

然而，碳化硅（SiC）JEFT的栅极结结构导致通常为JEFT的负阈值电压，即常开型器件。

这也限制了它在电源转换器中的应用，并且与电流驱动电路不匹配。

美国Semisouth公司和罗格斯大学采用了TLVJEFT生产工艺来开发一种常开增强型JEFT。

但是，增强型的JEFT通常需要牺牲某些特定的正向导通电阻特性，所以常通型可以更好地实现高功率密度和电流能力。

此外，常通JEFT器件也可以级联以实现常关型，即串联的低电压Si型MOSFET。

级联的后JEFT驱动器电路可以与普通的硅器件驱动器相匹配。

级联拓扑可以很好地替代高压和高功率应用中现有的硅IGBT器件，而不需要对驱动电路进行重大改变。

目前，碳化硅（SiC）JEFT已经在一定程度上量产，而英飞凌和SiCED是商业应用的主要产品。

其器件电压幅度为1200V和1700V。

2011年8月，美国田纳西大学报道了一款50kW碳化硅功率模块。

2011年11月，GlobalPowerElectronics开发出可在高温条件下使用并由SiCJEFT制造的SiC三相逆变器。

该模块的最大功率能够达到50KW，效率远比Si模块要高出许多。

2013年，罗克韦尔将碳化硅SBD与600V/5A的MOS增强型JEFT并联使用，以此开发出最大电流达到25A的三相电极驱动模块。

同当前较为先进的IGBT、pin二极管模块对比：

当功率水平相同时，面积减少40％。

功率MOSFET具有良好的栅极绝缘特性，开关过程稳定，导通电阻低，可靠性高，是硅器件中应用最广泛的功率开关器件。

然而，如上所述，硅材料器件的击穿电压越高，每单位面积的导通电阻越大，因此当施加电压高于600V时，所使用的主开关器件是IGBT。

由于IGBT向漂移层注入少数空穴，导通电阻远低于MOSFET。

然而，由于少数载流子的积累，在关断过程中会出现尾电流，导致较大的开关损耗。

碳化硅器件漂移层具有比硅器件更低的阻抗，并且不需要电导率调制，以在更高的开关频率下仍然实现高击穿电压和低传导损耗。

此外，MOSFET应用中不存在尾电流。

因此，碳化硅MOSFET是目前最流行的碳化硅功率开关器件[18-20]。

除此之外，碳化硅MOSFET驱动电路的结构相对简单并且与现有功率器件（硅功率MOSFET和IGBT）驱动电路高度兼容。

碳化硅功率MOSFET目前存在两个问题：

一个是长时间工作后栅氧化层的可靠性问题，另一个是沟道电阻问题。

MOSFET沟道电阻组件导致器件的大的传导损耗。

目前，碳化硅（SiC）MOSFET的商业应用也已经早早开发出来。

根据2009年的“电子材料”报告，三菱电机开发了一款11千瓦碳化硅功率转换器。

与目前的通用硅功率器件（IGBT）相比，功耗减少了70％。

此外，Cree还宣布，其公司的C2M系列1200V/80m碳化硅MOSFET被日本SanixCorporation采用。

它用于设计新的9.9KW三相太阳能逆变器，以实现高效率和散热。

这将大大推动日本太阳能市场商用光伏发电站的建设。

关于碳化硅MOSFET的应用，目前已经进行了大量的研究工作。

然而，如何充分发挥碳化硅MOSFET的优异性能目前还存在一些问题。

作为控制开关功率器件导通和关断的关键组成部分，MOSFET的驱动设计也成为限制碳化硅MOSFET开发的一个重要方面。

对于新型碳化硅MOSFET驱动器的设计工作仍是以原有的硅基功率开关器件为主。

由于碳化硅MOSFET功率器件的物理和结构特性与传统的硅MOSFET功率器件有很大不同，这也造成了原有驱动技术的应用，无法充分发挥碳化硅MOSFET的优良特性。

国内外专家学者也认识到了这个问题。

1.2.3SiCMOSFET双向开关的发展现状

目前对碳化硅双向电子开关的研究主要集中在碳化硅JFET方向，对碳化硅MOSFET的研究则相对较少。

因此，碳化硅MOSFET驱动电路的改进和优化以及碳化硅MOSFET双向开关的设计研究具有突出的理论和实际意义。

第二章SiCMOSFET的特性研究、实验芯片选取以及驱动电路研究

2.1SiCMOSFET的特性研究

卓越的栅极绝缘特性，极高的开关性能，极低的导通电阻和高度的稳定性使得功率MOSFET在硅基器件中无与伦比，并且非常成功。

类似地，碳化硅功率MOSFET是最常用的碳化硅功率开关器件。

该驱动电路非常简单并且与现有的功率器件（硅功率MOSFET和IGBT）驱动器电路高度兼容。

碳化硅功率MOSFET主要面临栅极氧化层长期可靠性和沟道电阻问题的挑战。

随着碳化硅（SiC）MOSFET技术的发展，高性能碳化硅（SiC）MOSFET也被开发出来，并且研究结果报告了具有大电压和电流能力的碳化硅（SiC）MOSFET器件。

三菱的1.2kV碳化硅（SiC）MOSFET器件的导通比电阻为5m/cm2，比硅基CoolMOS高15至20倍。

美国Cree公司报道了8.1mm×

8.1mm、阻断电压10kV、电流20A的碳化硅MOSFET芯片，它的正向阻断特性如图2.1.1所示。

通过并联上述Cree公司芯片获得的模块具有100A的电流传输能力[6]。

在20V的栅极电压下，器件的电阻率为127m/cm2，具有良好的高温特性。

在200°

C时，在零栅极电压下可实现10kV的阻断。

在碳化硅MOSFETs的可靠性研究中，据报道碳化硅栅氧化层在350℃时具有良好的可靠性[8]。

如图2.1.2所示，过去20年来，氧化硅MOSFET栅极氧化层的可靠性得到