SiC MOSFET的传导干扰特性和串扰峰值预测研究

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随着电力电子技术的发展,电力电子设备在医疗器械、工业制造以及消费等行业得到了广泛应用,对国民经济水平的提高具有重大意义。其中,碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(Silicon Carbide Based Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,SiC MOSFET)相比于传统的硅基功率器件具有更低的开关损耗、更高的开关速度和工作温度等特性。因此,SiC MOSFET的应用提高了电力电子变换器的功率密度和效率。然而,高开关频率和开关速度使SiC MOSFET对寄生参数十分敏感,带来了电磁干扰和可靠性问题,影响系统的安全运行。SiC MOSFET的结温变化会改变其开关过程,进而影响器件所在系统的电磁干扰特性和周围设备的安全运行。与此同时,由于SiC MOSFET具有较低的阈值电压和最大允许负栅极电压,串扰很容易被触发。随着电磁兼容标准越来越严格,更好地了解系统中电磁干扰特性对于指导相关产品设计具有重要意义。因此本文从研究SiC MOSFET模块的开关特性入手,通过理论和实验分析研究了SiC MOSFET的传导干扰特性和串扰峰值预测。主要研究内容如下:1.首先介绍了SiC MOSFET的物理结构、工作原理以及基本特性。然后利用在感性负载条件下的开关等效电路对考虑寄生电感影响的SiC MOSFET开关过程进行了详细分析,得到了各个阶段的电压和电流变化率。最后简单介绍了传导干扰和串扰的产生机理。2.研究了温度对SiC MOSFET传导干扰特性的影响,以SiC MOSFET构成的降压变换器为研究对象,通过分析器件开关过程中传导干扰信号的温变特性,说明开关过程中共模干扰源的温度依赖性相同而开通过程中差模干扰源的温度依赖性高于关断过程。在此基础上结合降压变换器系统中传导干扰的耦合路径,分析得到了温度升高,系统中差模干扰增加而共模干扰几乎不变的结论。在电磁屏蔽室中搭建了传导干扰测试平台,实验结果表明系统中差模干扰具有正温度依赖性且该依赖性随着负载电流的增大而减小;共模干扰几乎不受温度的影响。3.提出了一种考虑寄生电感影响的非开尔文封装SiC MOSFET串扰峰值预测算法。以TO-247-3封装SiC MOSFET构成的半桥电路为研究对象,首先分析了各个阶段的串扰电压数学模型,并推导了串扰电压的微分表达式;其次提出了串扰峰值的预测算法,建立了预测峰值所需参数的数学模型;最后搭建了实验平台,验证了理论的正确性和算法的有效性。
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