栅控型功率器件并联开关行为建模方法研究

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近年来,随着第三代宽禁带半导体材料的发展,碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,SiC MOSFET)已初步商业化。SiC芯片低良品率的问题导致目前SiC MOSFET单芯片通流能力弱,通常需要采取器件并联的方式满足大功率应用场合的通流需求。器件并联解决方案主要分为两种:从性能方面考虑,通过并联多个SiC MOSFET,可以充分发挥其高频低导通电阻的优势;从性价比方面考虑,通过并联大电流硅基绝缘栅双极晶体管(Silicon Insulated Gate Bipolar Transistor,Si IGBT)和小电流SiC MOSFET组成Si/SiC混合器件,可以实现成本与性能的折衷。器件并联应用时,由于器件参数及电路杂散参数等存在偏差,导致器件之间存在通流不均的问题,开关过程尤为明显;而且混合器件的异步开关模式严重影响器件开关损耗。因此,研究并联器件的开关行为和损耗分配预测模型具有重要的意义。本文首先针对栅控型功率器件的开关过程提出了新的分析方法,以SiC MOSFET为例,采用电路等效原理将栅控型功率器件的开关暂态过程定义为恒定电压源模式(Voltage Souce Mode,VSM)和恒定电流源模式(Current Source Mode,CSM)。基于有限状态机(Finite State Machine,FSM)原理,提出了一种新的适用于栅控型功率器件并联开关行为分析的统一建模方法,并且分别建立了适用于SiC MOSFET并联的开关行为模型和Si/SiC混合器件的开关行为模型。根据模型所需的器件特性及电路参数,本文提出了改进的SiC MOSFET和IGBT的器件特性以及电路参数的提取方法,充分考虑了宽电压偏置范围下的器件非线性结电容特性,保证模型在开关过程全阶段都具有很好的准确性。为了验证本文所提出的建模方法的有效性,搭建了基于栅控型功率器件并联的双脉冲实验平台。对不同工况下的SiC MOSFET器件并联和不同开关延时下的Si/SiC混合器件的开关行为及损耗进行了测试及分析,分别对比了所建立模型的仿真结果和实验结果。对比结果表现出开关电压波形和电流波形具有很好的重合性,并且损耗误差保持在可接受的范围内,验证了本文提出的基于有限状态机的功率器件并联开关行为建模方法的有效性和易扩展性,为器件并联开关行为分析及损耗估算提供了重要的参考依据。
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