本发明专利技术公开了一种实现Si IGBT软开关特性的混合型器件，由一个碳化硅金氧半场效晶体管SiC MOSFET和一个硅绝缘栅双极型晶体管Si IGBT串联组合而成，电流从SiC MOSFET的漏极流入、源极流出，SiC MOSFET的源极与Si IGBT的集电极相连接，从而流入至Si IGBT，再从其发射极流出；在混合型器件运行过程中，根据实际的电路环境，通过两种不同的调制方法来实现Si IGBT软开关特性。
A hybrid device for realizing soft switching characteristic of Si IGBT
The invention discloses a hybrid device for realizing the soft switching characteristic of Si IGBT, which is composed of a silicon carbide gold oxygen half effect transistor SiC MOSFET and a silicon insulated gate bipolar transistor Si IGBT in series, and the current is inflow from the drain of SiC MOSFET and the source is out of the source. The source of SiC MOSFET is connected with the collector of Si IGBT. Then, it flows into the Si IGBT, and then outflows from its emission. In the operation of the hybrid device, according to the actual circuit environment, two different modulation methods are used to achieve the Si IGBT soft switching characteristics.
【技术实现步骤摘要】
一种实现SiIGBT软开关特性的混合型器件
本专利技术属于器件优化及应用
，更为具体地讲，涉及一种实现SiIGBT软开关特性的混合型器件。
技术介绍
硅材料绝缘栅双极型晶体管(SiIGBT)是一种非常重要的功率半导体元件，它在大电流等级下导通损耗低且器件成本低，因此广泛应用于大功率等级的设备中如中压电机驱动、电动汽车牵引逆变器及风光并网逆变器。然而由于SiIGBT少子器件的特征，在器件关断时往往会产生的拖尾电流导致较大关断损耗，SiIGBT的开关频率因此也普遍偏低。为减少SiIGBT的开关损耗，研究者们在其设计和优化都做了大量的工作：通过驱动电路的优化来提高SiIGBT开关速度，增加额外有源开关器件及辅助电路，增加额外的无源器件及配合使用脉宽调制策略实现软开关等。但上述策略均增加了成本及电路复杂性。SiIGBT的开关速度由储藏电荷决定，不同的是金氧半场效晶体管MOSFET由其内部寄生电容决定。该特性使其在开关损耗方面有较大的优势，尤其是碳化硅材料的MOSFET(SiCMOSFET)，更适应用在高频开关的场合。但碳化硅为新兴材料成本较高，其普及应用因此也受到了限制。如何将两种材料的器件结合起来，发挥各自优势，降低成本对器件及相关应用的发展有着重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实现SiIGBT软开关特性的混合型器件，利用两种不同的调制方式可有效减小SiIGBT动态开关损耗以帮助提高SiIGBT开关频率。为实现上述专利技术目的，本专利技术一种实现SiIGBT软开关特性的混合型器件，其特征在于，包括：一个碳化硅金氧半场效晶体管SiCMOSFET和一个硅绝缘栅双极型晶体管SiIGBT，通过将SiCMOSFET和SiIGBT串联组成混合型器件；混合型器件运行时，电流从SiCMOSFET的漏极流入、源极流出，SiCMOSFET的源极与SiIGBT的集电极相连接，从而流入至SiIGBT，再从其发射极流出；在混合型器件运行过程中，可根据不同的应用需求选择两种不同的调制方法来实现SiIGBT软开关特性；第一种调制方式为：除去SiIGBT开通或关断期间，SiCMOSFET一直保持导通，当SiIGBT发生开关动作时，SiCMOSFET会提前关断，直至SiIGBT完成开关动作后SiCMOSFET将再次导通；该调制下实现了SiIGBT的软开通，其开通过程为：在t1时刻前，SiIGBT关断，SiCMOSFET导通；在t1时刻SiCMOSFET关断，SiIGBT在经过一段延迟时间Td2后在t2时刻开通，SiCMOSFET再经过一段延迟时间(Td1-Td2)后在t3时刻再次导通，至此SiIGBT开通过程结束；这样的开关状态描述为零电压硬电流(ZVHC)开通，即在SiIGBT电流迅速升高之前，电压先降低为零，但该开关状态下电流的变化率(di/dt)较快，在电流上升时由器件特性影响SiIGBT电压波形将出现一个突起；该调制下同时也实现了SiIGBT的软关断，其断开过程为：在t4时刻前，SiIGBT导通，SiCMOSFET导通；在t4时刻SiCMOSFET关断，SiIGBT在经过一段延迟时间Td2后在t5时刻关断，SiCMOSFET再经过一段延迟时间(Td1-Td2)后在t6时刻再次导通，至此SiIGBT关断过程结束；这样的开关状态描述为零电流硬电压(ZCHV)关断，即在SiIGBT电压迅速升高之前，电流先降为零,但该开关状态下电压的变化率(dV/dt)较快，在电压上升时由器件特性影响SiIGBT电流波形将出现一个突起；第二种调制方式为：SiIGBT开通后，SiCMOSFET经过一段延迟时间再导通，在SiIGBT关断前，SiCMOSFET会先于SiIGBT提前关断；该调制下实现了SiIGBT的软开通，其开通过程为：在t1时刻前，SiIGBT关断，SiCMOSFET关断；在t1时刻SiIGBT导通，SiCMOSFET在经过一段延迟时间Td3后在t2时刻导通，至此SiIGBT开通过程结束；这样的开关状态同样描述为零电压硬电流(ZVHC)开通；该调制下同时也实现了SiIGBT的软关断，其断开过程为：在t3时刻前，SiIGBT导通，SiCMOSFET导通；在t3时刻SiCMOSFET关断，SiIGBT在经过一段延迟时间Td4后在t4时刻关断，至此SiIGBT开通过程结束；这样的开关状态描述为零电压零电流2(ZVZC2)软关断，即在SiIGBT电压升高之前，电流先降为零,但该开关状态下电压的变化率(dV/dt)较小；这样通过上述两种调制方式实现SiIGBT软开关特性，减小动态开关损耗。本专利技术的专利技术目的是这样实现的：本专利技术一种实现SiIGBT软开关特性的混合型器件，由一个碳化硅金氧半场效晶体管SiCMOSFET和一个硅绝缘栅双极型晶体管SiIGBT串联组合而成，电流从SiCMOSFET的漏极流入、源极流出，SiCMOSFET的源极与SiIGBT的集电极相连接，从而流入至SiIGBT，再从其发射极流出；在混合型器件运行过程中，根据实际的电路环境，通过两种不同的调制方法来实现SiIGBT软开关特性。同时，本专利技术一种实现SiIGBT软开关特性的混合型器件还具有以下有益效果：(1)、该混合型器件连接结构简单，只需在SiIGBT电流回路中串联一个SiCMOSFET；(2)、该混合型器件在两种调制方式下均可实现IGBT软开关，有效的降低了SiIGBT的动态开关损耗，因而有利于进一步提高SiIGBT的开关频率；(3)、当该混合型器件可应用于实际电路时如HERIC，仅需一个SiCMOSFET和一个二极管便可帮助实现主回路的两个SiIGBT高频开关降低动态开关损耗，有效地控制了器件成本。附图说明图1是本专利技术实现SiIGBT软开关特性的混合型器件原理图；图2是SiIGBT开通关断的状态分类；图3是两种调制方式下各器件的的门极信号图；图4是第二种调制方式下关断时实现ZCZV2的软关断示意图；图5是串联SiCMOSFET实现SiIGBT软开关脉冲测试回路电路图；图6是第一种调制方式下SiIGBT软开关电压电流波形图；图7是第一种调制方式下SiIGBT在直流电压580V时，不同电流等级下开通及关断损耗图；图8是第一种调制方式下电流突起随延迟时间变化及该参数下的关断损耗图；图9是第二种调制方式下SiIGBT软开关电压电流波形图；图10是改进型HERIC电路中软开关的实现电路结构图；图11是改进型HERIC电路的调制策略图；图12是改进型HERIC电路中S7/S8在整个周期与S1～S4调制信号关系图；图13是改进型HERIC电路中正负半周期的高频开关的开关波形图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本专利技术。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本专利技术的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。实施例图1是本专利技术实现SiIGBT软开关特性的混合型器件原理图。在本实施例中，当SiIGBT工作于硬开关状态(Hard)时，器件的电压电流波形会在开通关断时存在互相交叠的区域如图2(a1)(b1)所示。它是造成器件高开关损耗的重要原因。为了减小开关损耗，可以认为通过控制电压电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种实现Si IGBT软开关特性的混合型器件，其特征在于，包括：一个碳化硅金氧半场效晶体管SiC MOSFET和一个硅绝缘栅双极型晶体管Si IGBT，通过将SiC MOSFET和Si IGBT串联组成混合型器件；混合型器件运行时，电流从SiC MOSFET的漏极流入、源极流出，SiC MOSFET的源极与Si IGBT的集电极相连接，从而流入入至Si IGBT，再从其发射极流出；在混合型器件运行过程中，可根据不同的应用需求选择两种不同的调制方法来实现Si IGBT软开关特性；第一种调制方式为：除去Si IGBT开通或关断期间，SiC MOSFET一直保持导通，当Si IGBT发生开关动作时，SiC MOSFET会提前关断，直至Si IGBT完成开关动作后SiC MOSFET将再次导通；该调制下实现了Si IGBT的软开通，其开通过程为：在t1时刻前，Si IGBT关断，SiC MOSFET导通；在t1时刻SiC MOSFET关断，Si IGBT在经过一段延迟时间Td2后在t2时刻开通，SiC MOSFET再经过一段延迟时间(Td1‑Td2)后在t3时刻再次导通，至此Si IGBT开通过程结束；这样的开关状态描述为零电压硬电流(ZVHC)开通，即在Si IGBT电流迅速升高之前，电压先降低为零，但该开关状态下电流的变化率(di/dt)较快，在电流上升时由器件特性影响Si IGBT电压波形将出现一个突起；该调制下同时也实现了Si IGBT的软关断，其断开过程为：在t4时刻前，Si IGBT导通，SiC MOSFET导通；在t4时刻SiC MOSFET关断，Si IGBT在经过一段延迟时间Td2后在t5时刻关断，SiC MOSFET再经过一段延迟时间(Td1‑Td2)后在t6时刻再次导通，至此Si IGBT关断过程结束；这样的开关状态描述为零电流硬电压(ZCHV)关断，即在Si IGBT电压迅升高之前，电流先降为零,但该开关状态下电压的变化率(dV/dt)较快，在电压上升时由器件特性影响Si IGBT电流波形将出现一个突起；第二种调制方式为：Si IGBT开通后，SiC MOSFET经过一段延迟时间再导通，在Si IGBT关断前，SiC MOSFET会先于Si IGBT提前关断；该调制下实现了Si IGBT的软开通，其开通过程为：在t1时刻前，Si IGBT关断，SiC MOSFET关断；在t1时刻Si IGBT导通，SiC MOSFET在经过一段延迟时间Td3后在t2时刻导通，至此Si IGBT开通过程结束；这样的开关状态同样描述为零电压硬电流(ZVHC)开通；该调制下同时也实现了Si IGBT的软关断，其断开过程为：在t3时刻前，Si IGBT导通，SiC MOSFET导通；在t3时刻SiC MOSFET关断，Si IGBT在经过一段延迟时间Td4后在t4时刻关断，至此Si IGBT开通过程结束；这样的开关状态描述为零电压零电流2(ZVZC2)软关断，即在Si IGBT电压升高之前，电流先降为零,但该开关状态下电压的变化率(dV/dt)较小；这样通过上述两种调制方式实现Si IGBT软开关特性，减小动态开关损耗。...
【技术特征摘要】
1.一种实现SiIGBT软开关特性的混合型器件，其特征在于，包括：一个碳化硅金氧半场效晶体管SiCMOSFET和一个硅绝缘栅双极型晶体管SiIGBT，通过将SiCMOSFET和SiIGBT串联组成混合型器件；混合型器件运行时，电流从SiCMOSFET的漏极流入、源极流出，SiCMOSFET的源极与SiIGBT的集电极相连接，从而流入入至SiIGBT，再从其发射极流出；在混合型器件运行过程中，可根据不同的应用需求选择两种不同的调制方法来实现SiIGBT软开关特性；第一种调制方式为：除去SiIGBT开通或关断期间，SiCMOSFET一直保持导通，当SiIGBT发生开关动作时，SiCMOSFET会提前关断，直至SiIGBT完成开关动作后SiCMOSFET将再次导通；该调制下实现了SiIGBT的软开通，其开通过程为：在t1时刻前，SiIGBT关断，SiCMOSFET导通；在t1时刻SiCMOSFET关断，SiIGBT在经过一段延迟时间Td2后在t2时刻开通，SiCMOSFET再经过一段延迟时间(Td1-Td2)后在t3时刻再次导通，至此SiIGBT开通过程结束；这样的开关状态描述为零电压硬电流(ZVHC)开通，即在SiIGBT电流迅速升高之前，电压先降低为零，但该开关状态下电流的变化率(di/dt)较快，在电流上升时由器件特性影响SiIGBT电压波形将出现一个突起；该调制下同时也实现了SiIGBT的软关断，其断开过程为：在t4时刻前，SiIGBT导通，SiCMOSF...
【专利技术属性】
技术研发人员：李凯，马兰，徐红兵，邹见效，郑宏，谢川，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51
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