CN106712749A - 基于碳化硅mosfet和jfet的混合高压器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高压器件，包括MOSFET、N个JFET、N个JFET驱动电路、混合高压器件的源极、混合高压器件的栅极以及混合高压器件的漏极。本发明电路功率部分通过碳化硅器件串联，并通过稳压管、二极管、电阻、电容等元件实现JFET驱动，最终的混合型高压器件可实现至少6kV的高耐压，相对其他高压器件，本高压器件成本低，可实现高频率、高效率和高功率密度，适用中高压电力电子变换器应用领域。

Description

基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高压器件
技术领域
本发明涉及一种基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高压器件，属于电力电子技术领域。
背景技术
碳化硅(Silicon Carbide,SiC)作为第三代半导体材料,具有高耐压、高耐温等一系列优点，得到了功率器件领域的广泛关注。SiC器件历经了20多年的发展，到目前为止，只有1200V和1700V SiC MOSFET和SiC JFET已经有一些商业化产品，更高电压SiC器件还处于实验室研究阶段，由于技术和成本原因，目前还未得到大规模使用。其中SiC MOSFET具有开关频率高、导通电阻小、输入阻抗高、热稳定性能好、无二次击穿问题等优点,但电流反向流动时，其自身寄生二极管的导通压降大。SiC JFET管具有高温特性好、放大性能好、噪声低、结构简单、制备工艺成熟，可靠性高、价格低廉等优点，但其门极阀值常为负电压，在未加驱动负压时为常开器件，因此不能被工业界广泛接受。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高压器件。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高压器件，包括MOSFET、N个JFET、N个JFET驱动电路、混合高压器件的源极、混合高压器件的栅极以及混合高压器件的漏极；
MOSFET的源极与混合高压器件的源极连接，MOSFET的栅极与混合高压器件的栅极连接，N个JFET依次串联，第i个JFET的漏极与其相邻的第i+1个JFET的源极连接，i为整数，0<i<N，第1个JFET的源极与MOSFET的漏极连接，第N个JFET的漏极与混合高压器件的漏极连接；
N个JFET驱动电路依次串联，第i个JFET驱动电路的输出端与其相邻的第i+1个JFET驱动电路的输入端连接，第1个JFET驱动电路的输入端与混合高压器件的栅极连接，N个JFET驱动电路的输出端分别与N个JFET的栅极连接。
还包括MOSFET驱动电阻和N个JFET驱动电阻；MOSFET驱动电阻的一端与MOSFET的栅极连接，另一端与混合高压器件的栅极连接，JFET驱动电阻两端分别与JFET驱动电路的输出端以及该JFET驱动电路驱动的JFET栅极连接。
JFET驱动电路包括并联的稳压管串、二极管以及电阻电容串联回路，稳压管串的阳极、二极管的阳极以及电阻电容串联回路的一端连接成第一节点，第一节点为JFET驱动电路的输入端，稳压管串的阴极、二极管的阴极以及电阻电容串联回路的另一端连接成第二节点，第二节点为JFET驱动电路的输出端。
稳压管串包括若干个串联的稳压管，第一个稳压管的阳极作为稳压管串的阳极，最后一个稳压管的阴极作为稳压管串的阴极，两个相邻稳压管的阳极与阴极连接。
N＝5。
本发明所达到的有益效果：1、本发明电路功率部分通过碳化硅器件串联，并通过稳压管、二极管、电阻、电容等元件实现JFET驱动，最终的混合型高压器件可实现至少6kV的高耐压，相对其他高压器件，本高压器件成本低，可实现高频率、高效率和高功率密度，适用中高压电力电子变换器应用领域；2、本发明开关频率较其他高压器件高很多，因此其组成的换流器功率密度高；3、本发明仅有一个驱动输入端口，驱动比较简单；4、稳压管串钳位电路仅在静态时有效，动态运行时，功率器件分压由电阻电容决定，稳压管无需击穿运行，因此，实际运行的开关损耗较小；5、本发明导通损耗相对较小，SiC MOSFET的正门极阀值具有很强的抗干扰能力；6、电路中电流反向流动时，通过对电容自动放电，电流仅流过SiC JFET通道，既降低了导通损耗，又节省了反并联二极管；7、利用SiC MOSFET的正电压驱动，并配置合适的正电压SiC JFET驱动电路，加速混合型高压器件的开通过程。
附图说明
图1为本发明的电路图。
图2为混合型高压器件关断时各器件电压图。
图3为混合型高压器件各器件电压实测图。
图4为混合型高压器件开通时各器件电压图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高压器件，包括MOSFET、MOSFET驱动电阻、5个JFET、5个JFET驱动电路、5个JFET驱动电阻、混合高压器件的源极、混合高压器件的栅极以及混合高压器件的漏极。
MOSFET的源极与混合高压器件的源极连接，MOSFET的栅极通过MOSFET驱动电阻与混合高压器件的栅极连接，5个JFET依次串联，两个相邻JFET的漏极与源极连接，第1个JFET的源极与MOSFET的漏极连接，第5个JFET的漏极与混合高压器件的漏极连接。
5个JFET驱动电路依次串联，两个相邻JFET驱动电路的输出端与输入端连接，第1个JFET驱动电路的输入端与混合高压器件的栅极连接，5个JFET驱动电路的输出端分别通过5个JFET驱动电阻与5个JFET的栅极连接。
JFET驱动电路包括并联的稳压管串、二极管以及电阻电容串联回路，稳压管串的阳极、二极管的阳极以及电阻电容串联回路的一端连接成第一节点，第一节点为JFET驱动电路的输入端，稳压管串的阴极、二极管的阴极以及电阻电容串联回路的另一端连接成第二节点，第二节点为JFET驱动电路的输出端。
稳压管串包括若干个串联的稳压管，第一个稳压管的阳极作为稳压管串的阳极，最后一个稳压管的阴极作为稳压管串的阴极，相邻两个稳压管的阳极与阴极连接。电阻电容串联回路包括串联的电阻和电容。
上述混合高压器件的工作原理具体分为静态工作、正常关断过程、正常硬开关开通过程以及正常软开关开通过程。
为了更好的说明上述工作原理，对图1中的各符号进行说明：J1～J5分别代表5个JFET，M1代表MOSFET，R1～R5分别代表5个电阻电容串联回路中的电阻，C1～C5分别代表5个电阻电容串联回路中的电容，DZ1～DZ5分别代表5个JFET驱动电路中的稳压管串，DF1～DF5分别代表5个JFET驱动电路中的二极管，MGD1代表MOSFET驱动电阻，JGD1～JGD5代表5个JFET驱动电阻，CJS代表混合高压器件源极，CJD代表混合高压器件漏极，CJG代表混合高压器件栅极，CJS1～CJS5分别代表J1～J5的源极，CJG1～CJG5分别代表J1～J5的驱动节点，即5个JFET驱动电路的输出端，PGS代表驱动脉冲信号。
A、静态工作(即没有开关动作)：此时加在CJG的驱动电路输出信号为-5V或0V(0V即驱动电路不工作)，此值小于M1的门极阈值，因此M1是关断态。当高压直流电压接入混合型高压器件的CJD和CJS之间时，M1漏极和源极两端电压会逐步上升；此时R1C1串联回路两端电压也随之上升，而DZ1和DF1必然反向截止；虽然M1漏极和源极两端电压以及R1C1串联回路两端电压的上升率不同，但在该模式下，最终的运行状态是，当CJG1和CJG两端电压等于DZ1的数值时，DZ1被击穿，此后M1漏极和源极以及R1C1串联回路两端电压被DZ1钳位到固定数值，即M1的耐压由DZ1击穿电压决定。如果高压直流电压很高，DZ2～DZ5会陆续被击穿，即CJG2～CJG5也将会继续被钳位，该过程可以保证SiC MOSFET和各SiC JFET的承受耐压在器件额定值范围内，不会损坏功率器件。当然，实际电路使用会考虑电压余量，一般CJG5不会被钳位，即J5一直为导通状态，高压直流电压由SiC MOSFET和4个SiC JFET(J1～J4)分担承受。
B、正常关断过程：此时加在CJG的驱动电路输出信号由正电压转为-5V，此值小于M1的门极阈值，因此M1进入关断过程。实际电路关断过程开始后，混合高压器件的CJD和CJS之间必然承受一定高压直流电压，因此M1漏极和源极两端电压将会首先上升；此时M1通道部分电流转移至J1的驱动电路流通，R1C1串联回路两端电压必然也随之上升，而DZ1和二极管DF1必然反向截止；由于M1漏极和源极两端电压的上升率小于R1C1串联回路两端电压的上升率(M1漏极和源极的输出电容值比C1值大)，因此，此后M1漏极和源极两端电压上升至一定数值时，R1C1串联回路两端电压被上升至M1漏极和源极两端电压与JFET阈值电压之和，即J1栅极和源极两端电压差变为小于JFET的门极阀值电压，J1开始关断过程，随后J1漏极和源极两端电压开始上升，R2C2串联回路两端电压也同步上升；相同原理，由于J1漏极和源极两端电压的上升率小于R2C2串联回路两端电压的上升率(J1漏极和源极的输出电容值比C2值大)，当J1漏极和源极两端电压上升至一定数值时，J2也开始关断过程；J3～J5的关断过程类似，如图2所示，各碳化硅器件关断是个渐进过程。此外，如图3所示，各个功率器件分担的电压都在DZ1～DZ5击穿电压之下，整个关断过程无需DZ1～DZ5击穿。因为正常情况下的开关频率比较高，在每个开关周期很短的时间内，CJG1～CJG5各节点的电势不会变化很大，即正常关断过程不需要通过DZ1～DZ5来维持CJG1～CJG5各节点的电势，此时其电势由合理设置C1～C5数值来控制的电压上升率维持。
C、正常硬开关开通过程：
(1)当开通信号刚加到CJG时，R1C1串联回路的C1还未开始放电，DF1、DZ1都是逆向截止，此时所有SiC JFET截止状态不受影响；由于M1的栅极接受驱动正脉冲，因此，M1的输出电容开始通过M1通道放电，M1漏极和源极两端电压开始下降。由于R1C1串联回路的C1电容仍未放电，即节点CJG1的相对电势保持不变，随着M1漏极和源极两端电压下降，即节点CJS1的电势下降，J1栅极和源极两端电压差变为大于SiC JFET的门极阀值电压，J1开始缓慢导通，即J1漏极和源极两端电压开始下降，此时R1C1串联回路的C1电容通过J1的栅极放电，即相当于输出J1驱动脉冲信号。
(2)随着J1开通，J1的输出电容开始通过J1通道放电，J1漏极和源极两端电压开始下降。由于R2C2串联回路的C2电容仍未放电，即节点CJG2的相对电势保持不变，随着J1漏极和源极两端电压下降，即节点CJS2的电势下降，J2栅极和源极两端电压差变为大于SiC JFET的门极阀值电压，J2开始缓慢导通，此时R2C2串联回路的C2电容通过J2的栅极放电，即相当于输出J2驱动脉冲信号。
(3)J3，J4，J5采用完全类似的开通过程，所有器件的整体过程是相关交叉，仅是依次相差一个小的延时(大约20～50ns)，如图4所示，其依次开通的先后延时由电阻电容串联回路的电容控制。
(4)等所有器件都开通后，加到CJG的驱动信号通过DF1～DF5钳位各SiC JFET的栅极电压，保证SiC MOSFET和所有SiC JFET的栅极都处于门极阈值电压以上，都能完全导通，并以此来减少导通电阻。
D、正常ZVS软开关开通过程：ZVS软开关开通过程和硬开关开通过程的区别在于，此时CJG没有驱动信号，且此时电流的方向相反。具体的原理如下：
(1)此时CJG无驱动信号，R1C1串联回路的C1电容还未开始放电，DF1、DZ1都是逆向截止，此时SiC MOSFET和所有SiC JFET截止状态不受影响；由于电流的方向相反，因此，该反向电流对M1的输出电容放电，M1漏极和源极两端电压开始下降。由于R1C1串联回路的C1电容仍未放电，即节点CJG1的相对电势保持不变，随着M1漏极和源极两端电压下降，即节点CJS1的电势下降，J1栅极和源极两端电压差变为大于SiC JFET的门极阀值电压，J1开始缓慢导通，J1漏极和源极两端电压开始下降，此时R1C1串联回路的C1电容通过J1的栅极放电，即相当于输出J1驱动脉冲信号。
(2)随着J1开通，J1的输出电容开始通过J1通道放电，同时反向电流也对J1的输出电容放电，J1漏极和源极两端电压开始下降。由于R2C2串联回路的C2电容仍未放电，即节点CJG2的相对电势保持不变，随着J1漏极和源极两端电压下降，即节点CJS2的电势下降，J2栅极和源极两端电压差变为大于SiC JFET的门极阀值电压，J2开始缓慢导通，此时R2C2串联回路的C2电容通过J2的栅极放电，即相当于输出J2驱动脉冲信号。
(3)J3，J4，J5采用完全类似的开通过程，所有器件的整体过程是相关交叉，仅是依次相差一个小的延时，其依次开通的先后延时由电阻电容串联回路的电容和反向电流大小控制。
(4)等所有器件都开通后，虽然M1的栅极没有驱动信号，但反向电流可以走MOSFET相应的寄生二极管，而所有JFET的栅极都处于“0”电位，因此所有JFET的栅极电压都在门极阈值电压以上，都能完全导通，该过程中所有JFET无需相应的并联二极管参与导通。如果此过程之后，M1栅极加驱动信号，即SiC MOSFET实现同步整流模式，反向电流可以由SiCMOSFET寄生二极管转入SiC MOSFET的通道，以此来减少导通压降。
上述实施例是取N＝5时的情况，当然N也可为其他正整数，具体数字根据实际的情况而定。
上述混合高压器件的电路功率部分通过碳化硅器件串联，并通过稳压管、二极管、电阻、电容等元件实现JFET驱动，最终的混合型高压器件可实现至少6kV的高耐压，相对其他高压器件，本高压器件驱动比较简单，开关损耗较小，导通损耗相对较小，抗干扰能力强，成本低，其组成的换流器功率密度高，可实现高频率、高效率和高功率密度，适用中高压电力电子变换器应用领域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高压器件，其特征在于：包括MOSFET、N个JFET、N个JFET驱动电路、混合高压器件的源极、混合高压器件的栅极以及混合高压器件的漏极；
MOSFET的源极与混合高压器件的源极连接，MOSFET的栅极与混合高压器件的栅极连接，N个JFET依次串联，第i个JFET的漏极与其相邻的第i+1个JFET的源极连接，i为整数，0<i<N，第1个JFET的源极与MOSFET的漏极连接，第N个JFET的漏极与混合高压器件的漏极连接；
N个JFET驱动电路依次串联，第i个JFET驱动电路的输出端与其相邻的第i+1个JFET驱动电路的输入端连接，第1个JFET驱动电路的输入端与混合高压器件的栅极连接，N个JFET驱动电路的输出端分别与N个JFET的栅极连接。
2.根据权利要求1所述的基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高压器件，其特征在于：还包括MOSFET驱动电阻和N个JFET驱动电阻；MOSFET驱动电阻的一端与MOSFET的栅极连接，另一端与混合高压器件的栅极连接，JFET驱动电阻两端分别与JFET驱动电路的输出端以及该JFET驱动电路驱动的JFET栅极连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高压器件，其特征在于：JFET驱动电路包括并联的稳压管串、二极管以及电阻电容串联回路，稳压管串的阳极、二极管的阳极以及电阻电容串联回路的一端连接成第一节点，第一节点为JFET驱动电路的输入端，稳压管串的阴极、二极管的阴极以及电阻电容串联回路的另一端连接成第二节点，第二节点为JFET驱动电路的输出端。
4.根据权利要求3所述的基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高压器件，其特征在于：稳压管串包括若干个串联的稳压管，第一个稳压管的阳极作为稳压管串的阳极，最后一个稳压管的阴极作为稳压管串的阴极，两个相邻稳压管的阳极与阴极连接。
5.根据权利要求1所述的基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高压器件，其特征在于：N＝5。
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