碳化硅mosfet器件建模及一体化驱动技术研究

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1、硕士学位论文碳化硅MOSFET器件建模及一体化驱动技术研究RESEARCHONMODELINGOFSILICONCARBIDEMOSFETDEVICEANDINTEGRATEDDRIVETECHNOLOGY李刚哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TM341学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文碳化硅MOSFET器件建模及一体化驱动技术研究硕士研究生：李刚导师：高强教授申请学位：全日制工学硕士学科：电气工程所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2016年6月授予

2、学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM341U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONMODELINGOFSILICONCARBIDEMOSFETDEVICEANDINTEGRATEDDRIVETECHNOLOGYCandidate：LiGangSupervisor：Prof.GaoQiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialit

3、y：ElectricalEngineeringAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要碳化硅（SiliconCarbide,SiC）因其具有宽禁带、高击穿电场、高热导率和高载流子饱和速率等优点，已成为第三代功率半导体材料的典型代表，特别是SiC功率MOSFET以其高频、耐高

4、温、低导通电阻等优点成为研究的热点。现有的器件模型主要是基于Spice搭建，难以应用于系统级仿真，且由于材料的存在差异，导致Si基功率MOSFET驱动电路难以发挥出SiC功率器件的优势，因此建立基于系统仿真软件Simulink的SiC功率MOSFET精确模型、设计满足SiC功率MOSFET驱动特性要求的高速隔离驱动电路，对SiC器件的广泛应用具有重要意义。本文首先介绍了N沟道增强型VDMOSFET的基本结构和工作原理，在此基础上利用基于AgilentB1505A功率半导体分析仪的高温测试平台，对ST公司

5、的SiC功率MOSFETSCT20N120静态特性进行测试。为了满足建立全工作区精确的器件模型需求，本文设计了补充测试系统，搭建了测试平台，对SCT20N120的输出特性和转移特性进行了补充测试，为器件建模提供了全面、准确的数据支撑，该方法对其它功率半导体器件相关参数提取具有重要指导作用与借鉴意义。其次，通过理论分析建立了一种基于传统Si基横向双注入MOSFET静态特性的SiC功率MOSFET半物理静态模型，详细阐述了MOS核心单元、漏极电流Id补偿和阈值电压Vth补偿建模过程，给出了基于测试数据的模型

6、参数提取方法，建立了完整的SiC功率MOSFET静态模型。在分析了简化的MOSFET栅极等效电路和SiC功率MOSFET开关过程的基础上，建立了SiC功率MOSFET动态解析模型，对所建立的模型进行仿真验证，分析其精确度。再次，在对比相同容量的SiC功率MOSFET和传统Si基功率MOSFET相关参数基础上，给出了SiC功率MOSFET驱动电路设计要求。分析了等效驱动电路，对比分析了不同的隔离方法和功率放大电路，设计了光耦隔离驱动电路和脉冲变压器隔离驱动电路，详细介绍了驱动电路工作原理和关键器件选型，并

7、采用双脉冲测试方法对所设计的驱动电路进行实验验证。最后，搭建了适用于Simulink应用的器件系统级仿真模型，通过对比仿真与实测数据，验证了所建模型的精确性。在双脉冲测试平台上对所设计的两种驱动电路性能进行了测试，分析了栅极驱动电阻对驱动性能的影响，并对两种驱动电路特性进行了对比分析，验证了驱动电路的可行性。关键词：SiC功率MOSFET；静态模型；动态模型；驱动电路-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSiliconcarbidehasbecomeatypicalrepresentati

8、veofthethirdgenerationpowersemiconductormaterialsduetoitswidebandgap,highbreakdownfield,highthermalconductivityandhighsaturationcarriervelocityetc.SiCpowerMOSFETbecomeahotresearchwhichhashighfrequency,hightemperature,lowon