SiC双极型功率半导体器件的驱动电路研究

摘要

以SiC为代表的宽禁带半导体材料取得了突破性进展，基于SiC材料的功率半导体器件和电路已在学术界和产业界引起广泛关注。和Si基功率半导体器件相比，SiC功率半导体器件具有阻断电压高、导通电流大、开关频率高、耐高温等优点，使得SiC功率半导体器件部分取代了Si基功率半导体器件，将广泛应用于现代电力电子行业。本文主要研究目的是设计一款能够快速驱动SiC双极型功率半导体器件开通与关断的驱动电路。研究的重点是追求极短的驱动电流的上升、下降时间，达到快速开通与关断SiC双极型功率器件的目的，并尽可能提高开关频率。
　　本文首先阐述了 SiC功率半导体器件的发展现状以及在现代电力电子领域系统的应用。通过对双极型功率半导体器件（以 SiC BJT、SiC GTO为代表）基本结构和工作特性的分析，以及对几种典型的电流型驱动电路的对比，提出了驱动电路的设计思想。根据设计思想，本文最初设计了一款采用电容器储能，利用小功率快速硅BJT和MOSFET作为驱动器件，能够驱动 SiC BJT开通的驱动电路。为了进一步缩短开通时驱动电流上升时间，对该驱动电路进行改进，改进后的驱动电路产生的开通驱动电流从0上升到200mA所需的时间缩短了一倍。随后，在该开通驱动电路的基础上采用对称互补结构设计了一款能够驱动SiC BJT开通与关断的驱动电路，该驱动电路由快速光耦合器、MOS场效应晶体管组成的反相器、Si BJT互补电路三个部分构成。
　　完成驱动电路的设计后，制备了印刷电路板。分别加入 SiC BJT工作回路和SiC GTO工作回路进行实验测试。驱动电路驱动 SiC BJT、SiC GTO开通时，驱动电流从0到200mA所需的时间约为20ns，从开通控制信号触发到 SiC BJT工作回路开通所需的时间大约为400ns，而驱动 SiC GTO开通所需的时间约为5μs。驱动电路驱动SiC BJT、SiC GTO关断时，驱动电流从200mA到0所需的时间约为25ns，从关断控制信号触发到 SiC BJT工作回路关断所需的时间大约为2.4μs，而驱动SiC GTO关断所需的时间约为7μs。同时该驱动电路的开关频率可以达到250kHz。实验结果证明本驱动电路能够对双极型功率半导体器件SiC BJT和 SiC GTO快速驱动，实现开通与关断。
　　以SiC为代表的宽禁带半导体材料取得了突破性进展，基于SiC材料的功率半导体器件和电路已在学术界和产业界引起广泛关注。和Si基功率半导体器件相比，SiC功率半导体器件具有阻断电压高、导通电流大、开关频率高、耐高温等优点，使得SiC功率半导体器件部分取代了Si基功率半导体器件，将广泛应用于现代电力电子行业。本文主要研究目的是设计一款能够快速驱动SiC双极型功率半导体器件开通与关断的驱动电路。研究的重点是追求极短的驱动电流的上升、下降时间，达到快速开通与关断SiC双极型功率器件的目的，并尽可能提高开关频率。
　　本文首先阐述了 SiC功率半导体器件的发展现状以及在现代电力电子领域系统的应用。通过对双极型功率半导体器件（以 SiC BJT、SiC GTO为代表）基本结构和工作特性的分析，以及对几种典型的电流型驱动电路的对比，提出了驱动电路的设计思想。根据设计思想，本文最初设计了一款采用电容器储能，利用小功率快速硅BJT和MOSFET作为驱动器件，能够驱动 SiC BJT开通的驱动电路。为了进一步缩短开通时驱动电流上升时间，对该驱动电路进行改进，改进后的驱动电路产生的开通驱动电流从0上升到200mA所需的时间缩短了一倍。随后，在该开通驱动电路的基础上采用对称互补结构设计了一款能够驱动SiC BJT开通与关断的驱动电路，该驱动电路由快速光耦合器、MOS场效应晶体管组成的反相器、Si BJT互补电路三个部分构成。
　　完成驱动电路的设计后，制备了印刷电路板。分别加入 SiC BJT工作回路和SiC GTO工作回路进行实验测试。驱动电路驱动 SiC BJT、SiC GTO开通时，驱动电流从0到200mA所需的时间约为20ns，从开通控制信号触发到 SiC BJT工作回路开通所需的时间大约为400ns，而驱动 SiC GTO开通所需的时间约为5μs。驱动电路驱动SiC BJT、SiC GTO关断时，驱动电流从200mA到0所需的时间约为25ns，从关断控制信号触发到 SiC BJT工作回路关断所需的时间大约为2.4μs，而驱动SiC GTO关断所需的时间约为7μs。同时该驱动电路的开关频率可以达到250kHz。实验结果证明本驱动电路能够对双极型功率半导体器件SiC BJT和 SiC GTO快速驱动，实现开通与关断。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 论文研究背景及意义

1. 2 论文研究内容

1. 3 论文的组织结构

第2章 典型SiC双极型功率半导体器件与电路

2.1 SiC BJT的结构与工作特性

2.2 SiC GTO的结构与工作特性

2.3 几种典型电流型驱动电路

2.4 本章小结

第3章 驱动电路设计

3.1 驱动电路的主要设计指标

3.2 驱动电路的设计思想

3.3 开通驱动电路的设计

3.4 改进型的开通驱动电路设计

3.5 可快速开通与关断的驱动电路设计

3.6 改进型的可快速开通与关断的驱动电路设计

3.7 本章小结

第4章 驱动电路及工作回路的综合测试

4.1 加入工作回路后的完整电路

4.2 PCB板设计

4.3 工作回路放电实验

4.4 驱动电路驱动SiC GTO的综合测试

4.5 本章小结

总结与展望

1.论文的总结

2.本文研究工作展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间参与的科研项目