高压SiC BJT在脉冲功率领域的快速驱动电路研究

摘要

本文主要研究应用于脉冲功率系统中的双极型碳化硅半导体器件SiC BJT的快速驱动电路，文中脉冲功率研究的重点是在SiC BJT基极追求极高的电流上升率di/dt。设计的驱动电路不仅可以用于SiC BJT，对SiC GTO驱动电路的开发也具有借鉴意义。本文的主要研究内容包括以下几个方面：
　　第一部分，研究脉冲功率技术的发展状况、背景及意义;研究目前脉冲功率系统的组成方式，研究SiC功率器件的特性；调研了目前已发表的功率型BJT和GTO的驱动电路的文献资料。
　　第二部分，提出一种采用电容器储能的思想设计的SiC BJT驱动电路和脉冲放电电路。脉冲放电时，整个电路与电网实现了电学上的隔离。驱动电路中的电容采用达林顿结构设计了充电电路。驱动电路基于硅MOSFET和硅BJT两级电路，能够对光耦合器的电流进行快速放大。整个电路设计过程分为两个阶段，初始设计方案的设计过程中主要通过减小电路电感的方法来提高电流上升速率，驱动电流的0-100mA的最短用时只需30ns;为了更进一步将驱动电流0-100mA的用时缩短到10ns以下，在初始设计方案的基础上进行了改进，并提出了影响电流上升速率的几大主要因素:驱动电路电容的电压与驱动回路的阻抗优化，驱动回路的半导体器件的I-V特性，上级驱动回路的驱动速度。实验结果表明，驱动电流在脉冲放电中使SiC BJT从断态过渡到通态的时间为6ns。该驱动电路的设计思想对其他高压双极型功率半导体器件实现快速驱动具有启发意义，对高压脉冲放电实验中脉冲放电电流的上升速率同样具有指导意义。
　　第三部分，在完成驱动电路的研究和设计后使用SiC BJT进行了脉冲放电实验，实验证明本驱动电路可以驱动SiC BJT快速开通，并总结了实验结果，相同放电电压时，驱动电容电压越高，驱动电流上升速率越快，放电电流上升速率越快;相同驱动电容电压时，放电电容电压越高，驱动电流上升速率越快，放电电流上升速率越快。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 脉冲功率技术的发展状况

1．3 SiC半导体器件的发展状况

1．4 论文研究目的及组织结构

第2章 脉冲功率系统

2．1 脉冲功率技术

2．1．1 脉冲功率技术的基本原理

2．1．2 脉冲功率系统的组成与分类

2．2 脉冲功率电路的设计方案

2．3 实验平台及设备

2．4 接地

2．5 SiC GTO

2．6 SiC BJT

2．7 本章小结

第3章 驱动电路的设计与研究

3．1 驱动电路的设计目标

3．2 常见电流型驱动电路

3．2．1 常见的GTO驱动电路

3．2．2 BJT驱动电路

3．3 驱动电路的设计

3．3．1 驱动电路要解决的问题

3．3．2 初始驱动电路的设计

3．4 初始驱动电路的测试过程

3．4．1 使用面包板搭建电路测试

3．4．2 使用洞洞板搭建电路测试

3．4．3 第一次PCB制版测试

3．4．4 层叠母排测试

3．5 改进后驱动电路的测试过程

3．5．1 改进型电路原理图

3．5．2 改进电路测试

3．5．3 器件I-V特性分析

3．5．4 阻抗优化测试

3．6 本章小结

第4章 脉冲放电实验

4．1 驱动电路充电电路的设计

4．2 SiC BJT脉冲放电实验

总结与展望

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