SiCMOSFET及SiGBT串联短路动态特性研究张甜

ElectricDrive《电气传动》网络首发论文SiCMOSFET及SiIGBT串联短路动态特性研究DOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd23827收稿日期：2021-07-12络首发日期：2022-07-01引用格式：究[J/OL]．电气传动./10.19457/j.1001-2095.dqcd23827用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式(包括网络呈现版式)排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编本符合国家有关书刊编辑、定计量单位及地图标注等。出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊(光盘版)》电子杂志社有限公司签约，在《中国版广电总局批准的网络连续型出版物(ISSN2096-4188，CN11-6037/Z)，所以签约期刊的网络版上网络首基金项目：江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX212229)网络首发时间：2022-07-0115:51:32网络首发地址：/kcms/detail/12.1067.TP.20220630.2244.001.html(中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏徐州221000)动态分压特性。同时，结合开关过程中电压、电流的变化分析串联短路分压原理，并在输出特性曲线上分压路径。实验结果表明，驱动电压、负载电流、母线电压等外部驱动参数对两种器件串联短路分压特性，其中反向负载电流改变了串联短路的分压趋势且对串联短路特性影响最大。充分认识器件的串联短路机you(SchoolofElectricalandPowerEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，half-bridgestructure,thedifferentseriesshort-circuitdynamicsharingvoltagecharacteristicsofSiCMOSFETandSiIGBTwereanalyzed.Atthesametime,theprincipleofseriesshort-circuitvoltagesharingwasanalyzedcombinedwiththechangesofvoltageandcurrentduringswitching,andthevoltagesharingpathofthedevicewasmarkedontheoutputcharacteristiccurves.Experimentalresultsshowthattheexternalcircuitparameterssuchasdrivingvoltage,loadcurrentandbusvoltagehavedifferenteffectsonthevoltagesharingcharacteristicsofthetwodevicesonseriesshort-circuit.Thereverseloadcurrentchangestheseriesshortcircuitvoltagesharingtrendandmostobviouslyeffectsthecharacteristicsonseriesshort-circuit.Fullyunderstandingtheseriesshort-circuitmechanismiscriticaltoimprovetheshort-circuitprotectionstrategies.bipolartransistor(SiIGBT)；seriesshort-circuit以电力电子变换器为代表的高压大功率场合得全不可忽视的问题,学者们主要从内部失效机理[1-2]、保护电路[5-7]等多个维度解其短路特性的同时分析内部热和载流子的变一得到的结论不足以支撑复杂电力电子装置的保并对两种器件在短路分压过程中表现出的不同现象进行讨论，在负载电流为0A时，SiCI饱和区截止区000I/2V TT0t正向阻断区I饱和区截止区000I/2V TT0t正向阻断区间的要求不同，SiIGBT为8μs，SiCMOSFETVtttttI饱和区有源区IaSiCMOSFET曲线(b)SiIGBT输出曲线FigOutputcharacteristiccurve联短路原理和分析.1串联短路动态分压原理个器件发生串联短路时存在分压现象。图2为TT上的电压发生变化，经过一段时间后T1，T2aSiCMOSFET意图(b)SiIGBT示意图mdiagramofSiCMOSFETandSiIGBTonseriesircuit动态分压过程分析作阶段[t0—t1]、短路电流上升阶段[t1—t2]、短路分压阶段[t2—t3]、关断阶段[t3—t4]。在忽略温度0tttttIt器件从截止区进入饱和区。查阅器件手册SiLViiRon.1Rgin.Ron.1Rgin.1MMTVRoff.1Ron.2Rgin.2Ron.2Rgin.2TVMRoff推挽驱动电路LFigPrincipleofSiCMOSFETandSiIGBTonseriesshort-circuit0tttIBTVDCLsRonxRoffxRginxx和2分别代表T1，T22)电流上升阶段[t1—t2]为(1)sh.(1)sh.1dtVT2=Lsdt2(7)t(t3)'t2(t32(7)t(t3)'t2(t3)t1t4t1'(6)(2)(2)VGS.2=Vth.2+(VG.2_Vth.2)[1_e_(t2_t1)T1](3)为IshxAVGxVthx(4)VGE.2=Vth.2+(VG.2_Vth.2)[1_e_(t2_t1)T2](5)(I|VT1=2b1(I〈联短路具有均压现象，从图1可以看出，SiCBT曲线低电压侧有明显的饱和区和线性区，受MOSFET沟道效应以及PNP晶体管调制效应的Lchni载流子迁移速3)短路分压阶段[t2—t3]按照短路类型分类，发生串联短路时T1属T1T2T1T2ID Isht2( Isht2(t3)t2'(t3)'0t1t4't4t1'00VLDC1/20VLDC1/2VDC短路电流的增大，T1漏源极电压大幅下降，T24)关断阶段[t3—t4]短路电流的急剧下降使杂散电感Ls产生感2dtVpkLsdIsh2dtSCTKLHRV，24A)和SiIGBTRGS50TSX2DHR(1200V，25A)进行实验。依据器件特性和短路保护选择的短路时间应满aSiCMOSFET径(b)SiIGBT分压路径Fig.4ThevoltagesharingpathofT1andT2(IL+入Ab2VDC_A(b1_b2)|VT1=入A(b1+b2)〈驱动电压不变时，式(6)可简化为载电流对分压特性的影响VDS/V(100V/格)Ish/A(50A/格)VCE/V(100V/格)Ish/A(50A/格)VDS/V(100V/格)Ish/A(50A/格)T2漏源极电压在短路电流上升过程中已经达到T2漏源极电压在短路电流上升过程中已经达到 400V 600V400V600V VT2VT2VT1VT1t/μs(0.5μs/格)t/μs(1μs/格)aSiCMOSFET形(b)SiIGBT短路波形CT路电流不变，负载电流增大时，由式(9)可知流过T2的短路电流减小。由图1T短路稳态电FigSeriesshort-circuitwaveformsFigSeriesshort-circuitwaveformsunderdifferentbusvoltages动电压对分压特性的影响V电 10A20A 10A 20AVT1 10A20A 10A 20AVT1VT1aSiCMOSFET路波形(b)SiIGBT短路波形rmsofdifferentpositiveloadcurrentsonseriesircuit 18V 20V14V15V 18V 20V14V15V VT2 VT2 VT1VT1t/μs(0.5μs/格)t/μs(1μs/格)aSiCMOSFET形(b)SiIGBT短路波形FigSeriesshort-circuitwaveformsunderdifferentdrivingvoltages串联短路损耗分析 ATTtss/格)tsTTtss/格)tss)ormsofdifferentnegativeloadcurrentsonseriesircuit线电压对分压特性的影响MOSFET，母线电压的增大使分压的过程变长，rametersETrametersIL/AET1/mJET2/mJ-100.174.2131.768.548.908.022000IEEEJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics2020,8(1):90-98.2]康建龙,辛振,陈建良,等.SiCMOSFET短路失效与退化机理研究KangJianlong,XinZhen,ChenJianliang,etal.Reviewandprospectofshort-circuitfailureanddegradationmechanismofSiCoceedingsoftheCSEEMOSFETShaoWeihua,RanLi,ZengZheng,etal.Short-circuitevaluationandtemperature-dependentmodelofSiCMOSFET[J].ProceedingsoftheCSEE018,38(7):2121-2131,2227.[4]秦海鸿,徐克峰,王丹,等.SiCMOSFET短路特性[J].南京航空航天表2SiIGBT不同参数下的短路损耗8,50(3):348-354.arameterscuitlossofSiIGBTunderarametersIL/AET1/mJET2/mJIL/AET1/mJET2/mJ-100.36.028.028.360.25900.768characteristicsofSiCMOSFETs[J].JournalofNanjingUniversityofAeronauticsAstronautics(3):348-354.]王占扩,童朝南,黄伟超.SiCMOSFET短路特性及过流保护研究WangZhankuoTongChaonan,HuangWeichao.Reasearchonshort-circuitcharacteristicsandovercurrentprotectionofSiCMOSFETJ].ProceedingsoftheCSEE,2020,40(18):5751-5760.6]吴海富,张建忠,赵进,等.SiCMOSFET短路检测与保护研究综述4结论结合理论和实验详细分析了串联短路动态分压4结论结合理论和实验详细分析了