摘 要

当下，正是电力电子技术高速发展的关键时期，随着人工智能的蓬勃发展以及5G网络时代的到来，因此电力电子技术的发展程度变得尤为重要，更需要具备更加优异性能的电力电子设备来支撑相关技术的发展。而功率开关器件的工作状态是否正常则是决定电力电子设备能否正常工作的基本条件，因此在电力电子设备中占据着核心地位之一的功率开关器件不可避免地成为了电力电子领域的热点话题，更是值得深入研究的课题之一。

由于技术的高速发展，传统的硅(Si)半导体功率器件已经无法满足某些特殊场合的性能需求。但以碳化硅(SiC)材料为代表的第三代半导体器件的出世，给功率开关器件的发展带来了新的曙光。值得注意的是，相较于硅(Si)半导体器件而言，碳化硅(SiC)等第三代半导体器件在自身特性上存在着明显差异，所以传统的Si MOSFET驱动方式并不适用于SiC MOSFET驱动电路，我们需要一种新型的驱动电路来发挥碳化硅(SiC)半导体器件的优异性能。

本文以传统的MOSFET驱动电路以及几种文献中提出的改进型MOSFET驱动电路结构为基础，提出了一种以无源器件为主构成的新型的SiC MOSFET驱动电路结构。本文以该驱动电路的桥式电路结构为例，分析了其在功率管开关过程中产生串扰的原因；又因为SiC MOSFET功率器件自身特性以及米勒效应。综合以上几点原因，本文所提出的新型SiC MOSFET驱动电路便是为尽可能解决以上问题而设计的。因此，在传统MOSFET驱动电路不能满足SiC MOSFET的驱动要求时，本文所提出的新型驱动电路能够很好地体现和发挥SiC MOSFET的优异特性。最后，再应用MATLAB/SIMULINK平台对新型SiC MOSFET驱动电路进行仿真分析。

关键词：SiC MOSFET驱动电路、米勒效应、串扰、MATLAB仿真

Abstract

At present, it is the key period of high-speed development of power electronic technology. With the vigorous development of artificial intelligence and the arrival of 5g network era, the development of power electronic technology becomes particularly important, and more excellent performance power electronic equipment is needed to support the development of related technologies. Whether the working state of power switch device is normal or not is the basic condition to determine whether the power electronic equipment can work normally. Therefore, the power switch device, which occupies one of the core positions in the power electronic equipment, inevitably becomes a hot topic in the field of power electronics, and is also one of the topics worthy of in-depth study.

Due to the rapid development of technology, traditional silicon semiconductor power devices have been unable to meet the performance requirements of some special occasions. However, the emergence of the third generation semiconductor devices, represented by silicon carbide, has brought a new dawn to the development of power switch devices. It is worth noting that compared with silicon semiconductor devices, the third generation semiconductor devices such as silicon carbide have obvious differences in their own characteristics, so the traditional Si MOSFET driving mode is not suitable for the SiC MOSFET driving circuit, we need a new driving circuit to play the excellent performance of silicon carbide semiconductor devices.

Based on the traditional drive circuit of MOSFET and the improved drive circuit structure of several references, a new type of SiC MOSFET drive circuit structure is proposed in this paper, which is mainly composed of passive components. Taking the bridge structure of the drive circuit as an example, this paper analyzes the causes of crosstalk in the switching process of the power transistor, as well as the characteristics of the SiC MOSFET Power Devices and the Miller effect. Considering the above reasons, the new SiC MOSFET Driver circuit proposed in this paper is designed to solve the above problems as much as possible. Therefore, when the traditional drive circuit of MOSFET can not meet the drive requirements of SiC MOSFET, the new drive circuit proposed in this paper can well reflect and play the excellent characteristics of SiC MOSFET. Finally, Matlab / Simulink is used to simulate and analyze the driving circuit of the new SiC MOSFET.

Key words: SiC MOSFET driving circuit, Miller effect, crosstalk, matlab simulation.

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外的研究现状 2

1.2.2 国内的研究现状 2

1.3 课题研究目的及内容 3

1.3.1 课题研究的目的 3

1.3.2课题研究的内容 4

第2章 驱动电路分析 5

2.1 米勒效应 5

2.2 开关振荡 5

2.3 产生串扰的原因 6

2.4 解决方案 8

2.5 本章小结 10

第3章 碳化硅(SiC) MOSFET驱动电路的优化设计 11

3.1 普通的MOSFET驱动电路 11

3.2 新型碳化硅(SiC) MOSFET驱动电路 12

3.2.1 驱动电路工作原理分析 13

3.2.2 驱动电路参数设计 18

3.3 本章小结 21

第4章 建模仿真与结果分析 22

4.1 普通MOSFET驱动电路仿真结果分析 22

4.2 附加电容改进型驱动电路仿真模型 23

4.3 新型驱动电路仿真结果分析 24

4.4 仿真结果对比分析 25

4.5 本章小结 26

第5章 总结与展望 27

5.1 总结 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

随着科技文明的不断发展，人类社会的生活需求和工业活动水平在不断提高，但随之带来的就是全球的环境污染问题，当前，这是一个人类急需解决的问题。在这样的背景下，新能源的开发利用成为了人们重点关注的对象。因此，像风力发电，太阳能发电等新能源项目在世界各国得到了大力发展。而这些项目均需要应用到大量的电力电子设备，所以在电力电子设备中承担着重要作用的功率开关器件变得尤为重要。自从1958年的第一支普通晶闸管诞生以来，便标志着功率开关器件正式进入电力电子领域的舞台，因其在电能控制和变流等方面的优异性能，得到了长足的发展^[1][1]。一直到今天，功率开关器件的深入研究与实际应用仍然是一个人类社会重点关注的科研热点。

自从功率开关器件被开发以来，便在电力电子设备中占据着越来越重要的地位，而硅半导体器件自然水涨船高。在这种时候，硅半导体器件相较于其他半导体器件的优势便体现出来，自然界中的硅元素储量极大，因此功率开关器件的制造成本不高。而且其化学性质还十分稳定，所以对于电子设备的稳定性很有益处。正是由于这许多的优异特性，使得硅半导体器件得到了大量的应用，直到目前为止，许多的功率开关器件仍然是以硅基半导体器件为主。经过了几十年的长久发展，硅半导体器件的制造工艺已经十分成熟，而硅型功率开关器件的性能也愈发强大。对电力系统的功率处理能力以及开关频率都在不断提升，还有使得电子器件的愈发精小化，都显示出硅型半导体器件“得天独厚”的优秀性能。然而“物力有时穷”，在面对越来越复杂的工作环境以及越来越高的性能要求时，硅型器件还是有些“力不从心”感觉。所以寻找一种硅材料的替代材料引发了关注，随着电力电子设备的要求越来越高，硅材料本身的电子和空穴漂移速度已经不能满足需要更高要求性能的半导体器件，其自身特性也限制了在高温、高压等极端环境中的应用，硅材料的性能已经应用到了极限^[2][2]。所以近些年来，第三代半导体器件的研发成为了热点。在高压高频，甚至高温环境中，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等为代表的第三代功率半导体器件展现出了强大的适应能力，而碳化硅(SiC)在更加极端的条件下，其性能更加的突出，因此碳化硅(SiC)型半导体器件成为了电力电子设备中新的“宠儿”。但也是因为碳化硅(SiC)器件在高温高压环境下工作，并且比硅型器件拥有更高的开关频率，因此对碳化硅器件的应用也带来了一些限制^[3][3-4]。