SiC MOSFET功率模塊中壓測試平臺研制及其應用
發(fā)布時間：2021-08-14 09:41
寬禁帶碳化硅（SiC）功率器件憑借其高頻、高溫、高功率密度等優(yōu)良特性,在新能源發(fā)電領域有巨大的應用前景,為新能源系統(tǒng)的高效率、高功率密度和高可靠運行提供了新的發(fā)展契機。SiC MOSFET的動態(tài)特性測試為變流器的器件選型、驅動設計、電氣應力評估和損耗水平預測提供了重要依據,而變流器損耗模型的搭建及其散熱系統(tǒng)的設計則奠定了變流器的長期高可靠運行的基礎。本文針對SiC MOSFET中壓模組設計需求,設計SiC MOSFET中壓測試平臺,對SiC MOSFET進行動態(tài)特性測試,并基于此建立其損耗模型進行散熱系統(tǒng)的設計和優(yōu)化。在SiC MOSFET動態(tài)特性測試方面,本文針對SiC中壓模組高電壓大功率的測試需求,設計了 10kV等級的大容量SiC MOSFET動態(tài)特性測試平臺,該平臺兼容單管動態(tài)測試和多管串聯(lián)測試,具備寬范圍電壓電流等級的全自動遍歷測試功能。軟件系統(tǒng)以LabVIEW和Matlab為控制核心,采用事件觸發(fā)器-有限狀態(tài)機構成生產者-消費者的雙層結構,對底層硬件平臺進行實時控制和保護,實現SiC MOSFET模塊在復雜運行條件下的遠程自動測試、數據采集和計算。本文基于實驗平臺對SiC動...
【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：95 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１．１世界不同地區(qū)能源需求增長預測??能源需求的持續(xù)增長和化石能源的不可再生及其造成的環(huán)境問題，推動世界??
１．２課題的研究現狀與分析??１．２．１?ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ及其測量技術研究現狀??圖１．２顯示了?ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ的典型結構及其在第一象限中的輸出特性。在??ＭＯＳ界面中，當門極電壓從負電壓逐步升高為正電壓的過程中，半導體界面分別??經歷累積狀態(tài)－耗盡狀態(tài)－弱反型－強反型等狀態(tài)，最終在Ｐ型基區(qū)形成ＭＯＳ溝道，??其電阻與門極電壓有關。當漏－源電壓逐漸增加時，其溝道最終進入夾斷狀態(tài)，并??且ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ進入飽和區(qū)。其工作于第一象限時，只有多子參與導電，為單極??性器件，工作于第三象限時，由于體二極管的存在，其為雙極性器件，但由于ＳｉＣ??飽和電子遷移率較高，反向恢復電荷掃出速度較快，反向恢復損耗較小。作為新??一代半導體器件，國際上在其結構上的優(yōu)化工作持續(xù)進行。??源極ｓ??ＶＡ??ｎｔ５Ｇ?＿?ｈｄＡ）?Ｖｃｓ?ｔ???ｆ?二?Ｚ１－�。�???＾盡層／?卜?１??Ｎ：?＿?＾?＼??ｎ?Ｐ?＿?■?—？??漏極Ｄ?°?＾＜Ｖ）??圖１．２?ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ典型結構示意圖及其輸出特性曲線??為了更好地使用ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ器件
其測量設備提出了很高的要求。文獻［３０］對比了多種電壓電流測量設備對測量精??度的影響，對電壓測量設備提出了高帶寬和小接地環(huán)路的要求，并給出了電流測??量設備的選擇意見，如圖１．３（ａ）所示。丹麥奧爾堡大學研究［３１］指出ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ??高精度電流測量需要具備高帶寬、小尺寸和電流隔離三個基本要求，并在此基礎??上利用互感原理制作了一款高精度電流測量設備，圖１．３（ｂ）振蕩較小的紅色曲線??為其測量結果，結果表明，在ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ的電流測量中，測量電路對測量結果??有很大影響。??（ａ）電壓探頭測量環(huán)路?（ｂ）不同電流設備測量結果對比??圖１．３測量環(huán)路以及電流測量設備對測量結果的影響??從國內外對測量精度的改進可以看出，ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ與傳統(tǒng)Ｓｉ?ＩＧＢＴ測量相??比，前者對測量設備在帶寬和測量回路等方面要求更高。這是因為波形的帶寬與??其上升沿和下降沿時間成反比［３２】，ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ雖然電子遷移率小于Ｓｉ?ＩＧＢＴ，??但前者具有更小的介電常數和更高的飽和電子遷移率，導致其開關速度更快，因??此電壓電流的變化斜率較大
【參考文獻】：
期刊論文
[1]SiC MOSFET開關損耗模型[J]. 董澤政,吳新科,盛況. 電力電子技術. 2018(08)
[2]一種抑制SiC MOSFET橋臂串擾的改進門極驅動設計[J]. 李輝,黃樟堅,廖興林,鐘懿,王坤. 電工技術學報. 2019(02)
[3]壓接式IGBT模塊的開關特性測試與分析[J]. 常垚,周宇,羅皓澤,李武華,何湘寧,張朝山. 電源學報. 2017(06)
[4]SiC MOSFET靜態(tài)性能及參數溫度依賴性的實驗分析及與Si IGBT的對比[J]. 馬青,冉立,胡博容,曾正,劉清陽. 電源學報. 2016(06)
[5]1200V碳化硅MOSFET與硅IGBT器件特性對比性研究[J]. 李磊,寧圃奇,溫旭輝,張棟. 電源學報. 2016(04)
[6]共源極電感對SiC MOSFET開關損耗影響的研究[J]. 董澤政,吳新科,盛況,張軍明. 電源學報. 2016(04)
[7]基于SiC MOSFET戶用光伏逆變器的效率分析[J]. 胡光鋮,陳敏,陳燁楠,習江北,徐德鴻. 電源學報. 2014(06)
[8]電力電子器件及其應用的現狀和發(fā)展[J]. 錢照明,張軍明,盛況. 中國電機工程學報. 2014(29)
[9]MW級光伏逆變器主回路寄生參數的影響與抑制[J]. 苗亞,周輝,翟志華,田雷. 電力電子技術. 2013(09)
[10]碳化硅電力電子器件在電力系統(tǒng)的應用展望[J]. 盛況,郭清,張軍明,錢照明. 中國電機工程學報. 2012(30)
博士論文
[1]新型碳化硅功率二極管的研究[D]. 任娜.浙江大學 2015
[2]基于動態(tài)熱敏電參數法的大容量IGBT模塊結溫在線提取原理和方法研究[D]. 羅皓澤.浙江大學 2015
[3]中高壓功率IGBT模塊開關特性測試及建模[D]. 陳娜.浙江大學 2012
碩士論文
[1]SiC功率二極管的結構與電特性分析研究[D]. 盧忠花.山東大學 2016
[2]SiC MOSFET的損耗分析和基于半橋逆變器的應用研究[D]. 劉璐.浙江大學 2016
[3]寬禁帶功率半導體器件損耗研究[D]. 張寧.浙江大學 2016
[4]大功率IGBT模塊開關特性測試平臺研制及其應用[D]. 孫鵬飛.浙江大學 2015
[5]高壓大電流碳化硅MOSFET串并聯(lián)模塊[D]. 程士東.浙江大學 2014
[6]碳化硅JFET器件的逆向導通應用的研究[D]. 蔡超峰.浙江大學 2013
[7]碳化硅MOSFET應用技術研究[D]. 陸玨晶.南京航空航天大學 2013
[8]雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)網側并聯(lián)變流器環(huán)流控制研究[D]. 熊山.湖南大學 2011
本文編號：3342230
【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：95 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１．１世界不同地區(qū)能源需求增長預測??能源需求的持續(xù)增長和化石能源的不可再生及其造成的環(huán)境問題，推動世界??
１．２課題的研究現狀與分析??１．２．１?ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ及其測量技術研究現狀??圖１．２顯示了?ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ的典型結構及其在第一象限中的輸出特性。在??ＭＯＳ界面中，當門極電壓從負電壓逐步升高為正電壓的過程中，半導體界面分別??經歷累積狀態(tài)－耗盡狀態(tài)－弱反型－強反型等狀態(tài)，最終在Ｐ型基區(qū)形成ＭＯＳ溝道，??其電阻與門極電壓有關。當漏－源電壓逐漸增加時，其溝道最終進入夾斷狀態(tài)，并??且ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ進入飽和區(qū)。其工作于第一象限時，只有多子參與導電，為單極??性器件，工作于第三象限時，由于體二極管的存在，其為雙極性器件，但由于ＳｉＣ??飽和電子遷移率較高，反向恢復電荷掃出速度較快，反向恢復損耗較小。作為新??一代半導體器件，國際上在其結構上的優(yōu)化工作持續(xù)進行。??源極ｓ??ＶＡ??ｎｔ５Ｇ?＿?ｈｄＡ）?Ｖｃｓ?ｔ???ｆ?二?Ｚ１－�。�???＾盡層／?卜?１??Ｎ：?＿?＾?＼??ｎ?Ｐ?＿?■?—？??漏極Ｄ?°?＾＜Ｖ）??圖１．２?ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ典型結構示意圖及其輸出特性曲線??為了更好地使用ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ器件
其測量設備提出了很高的要求。文獻［３０］對比了多種電壓電流測量設備對測量精??度的影響，對電壓測量設備提出了高帶寬和小接地環(huán)路的要求，并給出了電流測??量設備的選擇意見，如圖１．３（ａ）所示。丹麥奧爾堡大學研究［３１］指出ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ??高精度電流測量需要具備高帶寬、小尺寸和電流隔離三個基本要求，并在此基礎??上利用互感原理制作了一款高精度電流測量設備，圖１．３（ｂ）振蕩較小的紅色曲線??為其測量結果，結果表明，在ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ的電流測量中，測量電路對測量結果??有很大影響。??（ａ）電壓探頭測量環(huán)路?（ｂ）不同電流設備測量結果對比??圖１．３測量環(huán)路以及電流測量設備對測量結果的影響??從國內外對測量精度的改進可以看出，ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ與傳統(tǒng)Ｓｉ?ＩＧＢＴ測量相??比，前者對測量設備在帶寬和測量回路等方面要求更高。這是因為波形的帶寬與??其上升沿和下降沿時間成反比［３２】，ＳｉＣ?ＭＯＳＦＥＴ雖然電子遷移率小于Ｓｉ?ＩＧＢＴ，??但前者具有更小的介電常數和更高的飽和電子遷移率，導致其開關速度更快，因??此電壓電流的變化斜率較大
【參考文獻】：
期刊論文
[1]SiC MOSFET開關損耗模型[J]. 董澤政,吳新科,盛況. 電力電子技術. 2018(08)
[2]一種抑制SiC MOSFET橋臂串擾的改進門極驅動設計[J]. 李輝,黃樟堅,廖興林,鐘懿,王坤. 電工技術學報. 2019(02)
[3]壓接式IGBT模塊的開關特性測試與分析[J]. 常垚,周宇,羅皓澤,李武華,何湘寧,張朝山. 電源學報. 2017(06)
[4]SiC MOSFET靜態(tài)性能及參數溫度依賴性的實驗分析及與Si IGBT的對比[J]. 馬青,冉立,胡博容,曾正,劉清陽. 電源學報. 2016(06)
[5]1200V碳化硅MOSFET與硅IGBT器件特性對比性研究[J]. 李磊,寧圃奇,溫旭輝,張棟. 電源學報. 2016(04)
[6]共源極電感對SiC MOSFET開關損耗影響的研究[J]. 董澤政,吳新科,盛況,張軍明. 電源學報. 2016(04)
[7]基于SiC MOSFET戶用光伏逆變器的效率分析[J]. 胡光鋮,陳敏,陳燁楠,習江北,徐德鴻. 電源學報. 2014(06)
[8]電力電子器件及其應用的現狀和發(fā)展[J]. 錢照明,張軍明,盛況. 中國電機工程學報. 2014(29)
[9]MW級光伏逆變器主回路寄生參數的影響與抑制[J]. 苗亞,周輝,翟志華,田雷. 電力電子技術. 2013(09)
[10]碳化硅電力電子器件在電力系統(tǒng)的應用展望[J]. 盛況,郭清,張軍明,錢照明. 中國電機工程學報. 2012(30)
博士論文
[1]新型碳化硅功率二極管的研究[D]. 任娜.浙江大學 2015
[2]基于動態(tài)熱敏電參數法的大容量IGBT模塊結溫在線提取原理和方法研究[D]. 羅皓澤.浙江大學 2015
[3]中高壓功率IGBT模塊開關特性測試及建模[D]. 陳娜.浙江大學 2012
碩士論文
[1]SiC功率二極管的結構與電特性分析研究[D]. 盧忠花.山東大學 2016
[2]SiC MOSFET的損耗分析和基于半橋逆變器的應用研究[D]. 劉璐.浙江大學 2016
[3]寬禁帶功率半導體器件損耗研究[D]. 張寧.浙江大學 2016
[4]大功率IGBT模塊開關特性測試平臺研制及其應用[D]. 孫鵬飛.浙江大學 2015
[5]高壓大電流碳化硅MOSFET串并聯(lián)模塊[D]. 程士東.浙江大學 2014
[6]碳化硅JFET器件的逆向導通應用的研究[D]. 蔡超峰.浙江大學 2013
[7]碳化硅MOSFET應用技術研究[D]. 陸玨晶.南京航空航天大學 2013
[8]雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)網側并聯(lián)變流器環(huán)流控制研究[D]. 熊山.湖南大學 2011
本文編號：3342230
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