碳化硅MOSFET模型研究及等效高温开关电源设计

摘要

常温下开关电源的功率器件主要是基于硅(Si)材料，而其工作结温度的上限值一般为125℃。由于开关电源在工作中会产生大量热量，需要的冷却系统都很庞大，额外的增加了系统的复杂性和不稳定性。新一代的碳化硅(SiC)功率器件很好地克服了基于硅材料的功率器件所存在的散热问题，其工作结温度可以达到250℃，降低了对冷却系统的依赖。因此研究基于SiC功率器件的高温开关电源对于促进高温电源系统的发展有重要意义。
　　本文的主要目的是为设计一款高温开关电源做铺垫，主要是从高温器件模型建立和等效高温开关电源设计两个方面进行研究。本文完成的主要工作如下:
　　在高温器件模型建立方面，首先对功率金属-氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)和SiC材料进行了介绍;接着对SiC功率MOSFET的阈值电压、沟道有效迁移率、导通电阻和体漏电流的温度特性进行深入研究;然后建立SiC功率MOSFET器件模型，其中模型主要由内核MOSFET、温度相关器件和开关模式电容三部分构成;最后将所建立模型的仿真结果和标准实验值进行对比并验证所建立模型的正确性。
　　在等效高温开关电源设计方面，首先深入分析了移相全桥零电压开关(ZVS)的工作原理，同时还研究了变换器控制回路所要用到的设计理论;接着对这个系统进行总体的介绍并给出所要设计变换器的技术指标;然后，根据技术指标，完成功率电路中的功率器件的选型、变压器的制作、滤波电感电容和隔直电容的确定;最后，完成对控制电路中的保护电路、采样电路、电流环斜坡补偿电路和电压环反馈补偿电路的设计。
　　最后将SiC功率MOSFET模型应用到所建立的等效高温开关电源中，经仿真表明:首先，本文所建立的等效高温开关电源能够正常的工作;其次，本文所建立的SiC功率MOSFET模型在25℃和175℃宽温区范围具有较高的精确性和可靠性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及研究意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 SiC功率MOSFET的研究现状

1．2．2 开关电源的研究现状

1．3 本文研究的主要工作及组织结构

1．4 本章小结

第2章 SiC功率MOSFET模型建立理论基础

2．1 SiC材料

2．1．1 SiC材料的晶体结构

2．1．2 SiC材料的电学性质

2．2 功率MOSFET

2．2．1 功率MOSFET的工作原理

2．2．2 功率MOSFET的结构类型

2．2．3 功率MOSFET的电学特性

2．3 SiC功率MOSFET温度特性分析

2．3．1 SiC功率MOSFET阈值电压的温度特性分析

2．3．2 SiC功率MOSFET沟道有效迁移率的温度特性分析

2．3．3 SiC功率MOSFET导通电阻的温度特性分析

2．3．4 SiC功率MOSFET体漏电流的温度特性分析

2．4 本章小结

第3章 SiC功率MOSFET器件模型的建立及仿真

3．1 SiC功率MOSFET器件模型的提出

3．2 SiC功率MOSFET器件模型的分析

3．2．1 内核MOSFET

3．2．2 温度相关器件

3．2．3 开关模式电容

3．3 SiC功率MOSFET器件模型的仿真及分析

3．3．1 静态特性仿真

3．3．2 动态特性仿真

3．4 本章小结

第4章 1KW移相全桥ZVS等效高温开关电源的设计

4．1 全桥ZVS工作原理及关键问题分析

4．1．1 移相全桥ZVS DC／DC变换器工作原理分析

4．1．2 移相全桥ZVS DC／DC变换器中关键问题的分析

4．2 移相全桥DC／DC变换器控制回路设计理论基础

4．2．1 控制回路的控制策略

4．2．2 移相全桥ZVS DC／DC开环小信号模型的建立

4．3 系统整体介绍及技术指标

4．4 功率电路的常温等效器件选型及相关参数计算

4．4．1 常温等效功率器件的选择

4．4．2 常温等效高频变压器的设计

4．4．3 常温等效滤波电感电容的计算

4．4．4 常温等效谐振电感和死区时间的计算

4．4．5 常温等效隔直电容的计算

4．5 变换器控制系统的设计

4．5．1 控制系统整体介绍

4．5．2 振荡器参数和死区时间的设定

4．5．3 采样电路设计

4．5．4 保护电路设计

4．5．5 电流环斜坡补偿电路设计

4．5．6 电压环补偿网络的设计

4．6 本章小结

第5章 仿真结果分析

5．1 等效高温开关电源的仿真

5．1．1 驱动波形分析

5．1．2 开关管实现ZVS波形分析

5．1．3 占空比丢失波形分析

5．1．4 输出波形分析

5．2 SiC功率MOSFET模型温度性能仿真

5．2．1 温度无关器件的建立

5．2．2 SiC功率MOSFET模型温度性能仿真

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢