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  • 论碳化硅器件的整流器

    发布时间:2020-09-11 15:30    浏览:

    引言 随着能源技术的发展改革开放论文,在电网电力传输和分配方面的应用需求增加,功率电子正面临着新的挑战。研究出集成度高、环境稳定性好、功率密度大的高效电力电子变换器已经成为市场的迫切需求。为了实现这些优点,功率半导体研究领域的工作人员已经研究出了许多成熟有效的成果,能够用于未来大功率电力电子应用。碳化硅是一种新型宽禁带半导体材料,这种材料具有良好的特性,例如,高击穿电场、近代宽度大、导热性优良、载流子饱和迁移率大等优点,这些优点使得SiC电力电子器件可以工作在较高电流、额定电压和高温条件下,能够有效减小系统体积、提高系统散热能力、在整体上降低成本,因此在未来大功率电力电子器件应用方面具有巨大的潜力。 原理 常通碳化硅(SiC)结型场效应晶体管功率器件是目前较成熟的宽禁带半导体器件,具有良好的电气性能,特别是低开关损耗和高温下的潜在性能以及高反向阻断电压。碳化硅的优势不仅仅限于能提高功率开关器件的电压承受能力、高温承受能力和兼顾频率与功率的能力,还在于能大幅度降低器件的功率消耗。为了寻求提高功率转换器的总体效率的方法,我们需要设计基于这些功率器件的新的电路结构。 基本结构 图4-1 基于碳化硅结型场效应晶体管和肖特基二极管的串联整流器结构 图4-1展示了这种整流器的结构。正如我们所见,这种结构由一个常通碳化硅结型场效应晶体管和一个低电压硅肖特基二极管所构成。这个碳化硅结型场效应晶体管的源极连接着二极管的阴极。同时,碳化硅结型场效应晶体管的栅极与二极管的阳极相连。这种基础结构可以看做是一个用肖特基二极管代替一个金属氧化物半导体场效应晶体管的串联结构。 工作原理 图4-2 正向偏置下基于碳化硅结型场效应晶体管的串联整流器等效电路 图4-2(a)可以解释这种结构的工作原理,其电压源是一个正弦信号。图4-2和图4-3(a)分别展示了等效电路和主要波形。在输入电压的正半周,串联整流器正向偏置(Vcascode是正的)。碳化硅结型场效应晶体管可以导通(这是一个常通器件),但是直到输入电压上升到膝点电压时肖特基二极管才导通,正如图4-2(c)所示。另一方面,图4-2(b)所示的理想二极管还没有导通。当输入电压大于膝点电压时,肖特基二极管导通(在等效电路中展示出来的理想二极管在这时已经导通了),正如图4-2(d)所示。因为栅源电压为很小的正值(这是一个常通器件,因此,即使当栅压为0伏特时仍旧导通),碳化硅结型场效应晶体管也导通了。结果表明,完整的设备像一个二级管一样工作, 它的膝点电压就是硅肖特基二极管的膝点电压,而它的动态阻抗就是硅肖特基二极管和碳化硅结型场效应晶体管的动态阻抗之和。 图4-3 基于碳化硅结型场效应晶体管的串联整流器波形示例:(a)在正向偏置下;(b)在反向偏置下 在输入电压的负半周,串联整流器是反偏的(Vcascode是负的),正如图4-4所示。在这种情况下,由于是反偏的,肖特基二极管是关断的,正如图4-4(a)所示。在这种情况下,整个串联整流器是不导通的,因为肖特基二极管阻断了反向偏置电压。当肖特基二极管电压达到了碳化硅结型场效应晶体管的夹断电压时,结型场效应晶体管将被关断,并且碳化硅结型场效应晶体管将会开始阻断电压,如图4-4(b)所示。图4-3(b)展示了这种情况下的等效波形图。有一点是很有必要备注的——不需要任何控制电路来驱动碳化硅结型场效应晶体管。 图4-4 基于碳化硅结型场效应晶体管的串联整流器在反偏时的等效电路。 优点与缺点 这种串联结构将碳化硅结型场效应晶体管的高电压屏蔽能力和硅肖特基二极管的低膝点电压结合起来,因此获得了一种具有优良特性的整流器。在一个标准的整流器中不需要任何控制信号(例如,器件不需要任何栅驱动)。这种基于碳化硅结型场效应晶体管的串联结构的主要缺点是元件价格昂贵。目前,这些器件可以在市场上买到但价格比硅半导体高。 单相桥式全控整流电路的设计与仿真 本次课程设计,我选的题目是碳化硅器件整流技术。老师要求设计一套单相桥式全控整流电路,要求变压器二次侧电压U2的峰峰值为600V,整流输出电压Ud平均值为100V,且效率高于80%,U2的频率从50hz至200khz任意取五个值,并且对硅器件和碳化硅器件的效率进行比较。 经过相关论文翻译以及对整流器相关知识,我设计了一种不同于教材上的解构的整流电路。整流技术就是交流变直流的一种技术,通过改变触发角α的大小来控制输出电压的平均值,并且通过电感、电容等器件的控制,实现整流目的。教材中讲解的电路是利用晶闸管这种器件,通过门级脉冲信号到来的时间不同对器件的通断进行控制。作为一名微电子专业的学生改革开放论文,由于本科阶段对于晶闸管这种器件没有进行过系统的学习,所以了解不是很透彻,加之Pspice元件库中晶闸管种类极其繁多,不同类型的管子仿真结果相差甚巨散文,最后经过和导师的沟通,用MOS管代替了晶闸管来实现整流。下面对这种新结构进行介绍。 整流电路可以通过改变触发角从而改变导通角,其实这种功能完全可以通过MOS管来实现。我用增强型NMOS代替了晶闸管。在单相桥式全控整流电路中,在U2正半周期改革开放论文,给代替晶闸管VT1和VT4的MOS管同时接一定宽度的正向脉冲信号就能使其导通,这其实就起到了晶闸管门级脉冲信号控制晶闸管通断的作用。在相隔半个周期以后,此时U2已经到达负半周期,这时再给代替晶闸管VT2、VT3的MOS管接统一宽度的脉冲信号使其导通。由于老师要求输入的峰峰
    值为300V,输出的平均值为100V,所以我希望MOS管导通时间较短,且尽量避免在U2达到峰值的附近时间导通。因此我设计U2正半周期MOS管从ωt=0时刻开始导通,U2负半周期MOS管从ωt=π时刻开始导通,然后根据整流输出电压Ud的平均值仿真结果改变脉冲宽度,从而达到设计要求。 这次设计的负载为电阻和电容并联的形式,这样的目的是形成一个RC网络,有助于输出波形的平滑。此为与老师商量的结果,在此对老师的辛勤指导表示感谢。改变电容C的大小可以改善波形稳定的时间以及效率,从而达到设计标准。电路的电阻负载均采用阻值为160欧姆的电阻,从而保证求效率时都是对应同样大小的负载。下面是电路原理图以及仿真结果:
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