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電力電子新技術(shù)系列圖書(shū)序言

序

前言

第1章功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)1

1.1Si功率器件1

1.1.1Si功率二極管1

1.1.2Si功率MOSFET5

1.1.3Si IGBT9

1.2SiC功率器件12

1.2.1SiC半導(dǎo)體材料特性12

1.2.2SiC功率器件發(fā)展現(xiàn)狀15

參考文獻(xiàn)25

延伸閱讀26

第2章SiC MOSFET參數(shù)的解讀、測(cè)試及應(yīng)用29

2.1最大值29

2.1.1擊穿電壓29

2.1.2熱阻抗31

2.1.3最大耗散功率和最大漏極電流32

2.1.4安全工作域33

2.2靜態(tài)特性35

2.2.1傳遞特性和閾值電壓35

2.2.2輸出特性和導(dǎo)通電阻35

2.2.3體二極管和第三象限導(dǎo)通特性38

2.3動(dòng)態(tài)特性39

2.3.1結(jié)電容39

2.3.2開(kāi)關(guān)特性40

2.3.3柵電荷47

2.4參數(shù)測(cè)試48

2.4.1I-V特性測(cè)試48

2.4.2結(jié)電容測(cè)試50

2.4.3柵電荷測(cè)試53

2.4.4測(cè)試設(shè)備53

2.5FOM值55

2.6器件建模與仿真58

2.7器件損耗計(jì)算63

2.7.1損耗計(jì)算方法63

2.7.2仿真軟件66

參考文獻(xiàn)68

延伸閱讀70

第3章雙脈沖測(cè)試技術(shù)75

3.1功率變換器換流模式75

3.2雙脈沖測(cè)試基礎(chǔ)79

3.2.1雙脈沖測(cè)試原理79

3.2.2雙脈沖測(cè)試參數(shù)設(shè)定82

3.2.3雙脈沖測(cè)試平臺(tái)85

3.3測(cè)量挑戰(zhàn)90

3.3.1示波器90

3.3.2電壓探頭104

3.3.3電流傳感器115

3.3.4時(shí)間偏移118

3.3.5寄生參數(shù)121

3.4雙脈沖測(cè)試設(shè)備126

參考文獻(xiàn)130

延伸閱讀132

第4章SiC器件與Si器件特性對(duì)比135

4.1SiC MOSFET和Si SJ-MOSFET135

4.1.1靜態(tài)特性135

4.1.2動(dòng)態(tài)特性137

4.2SiC MOSFET和Si IGBT145

4.2.1傳遞特性145

4.2.2輸出特性145

4.2.3動(dòng)態(tài)特性146

4.2.4短路特性152

4.3SiC二極管和Si二極管154

4.3.1導(dǎo)通特性154

4.3.2反向恢復(fù)特性155

延伸閱讀162

第5章高di/dt的影響與應(yīng)對(duì)——關(guān)斷電壓過(guò)沖163

5.1關(guān)斷電壓過(guò)沖的影響因素163

5.2應(yīng)對(duì)措施1——回路電感控制165

5.2.1回路電感與局部電感165

5.2.2PCB線路電感167

5.2.3器件封裝電感168

5.3應(yīng)對(duì)措施2——去耦電容170

5.3.1電容器基本原理170

5.3.2去耦電容基礎(chǔ)172

5.3.3小信號(hào)模型分析176

5.4應(yīng)對(duì)措施3——降低關(guān)斷速度184

參考文獻(xiàn)186

延伸閱讀187

第6章高dv/dt的影響與應(yīng)對(duì)——crosstalk188

6.1crosstalk基本原理188

6.1.1開(kāi)通crosstalk189

6.1.2關(guān)斷crosstalk191

6.2關(guān)鍵影響因素194

6.2.1等效電路分析194

6.2.2實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案與結(jié)果195

6.3應(yīng)對(duì)措施1——米勒鉗位200

6.3.1晶體管型米勒鉗位200

6.3.2IC集成有源米勒鉗位202

6.4應(yīng)對(duì)措施2——驅(qū)動(dòng)回路電感控制206

6.4.1驅(qū)動(dòng)回路電感對(duì)米勒鉗位的影響206

6.4.2封裝集成206

參考文獻(xiàn)212

延伸閱讀213

第7章高dv/dt的影響與應(yīng)對(duì)——共模電流214

7.1信號(hào)通路共模電流214

7.1.1功率變換器中的共模電流214

7.1.2信號(hào)通路共模電流特性217

7.2應(yīng)對(duì)措施1——高CMTI驅(qū)動(dòng)芯片219

7.3應(yīng)對(duì)措施2——高共模阻抗223

7.3.1減小隔離電容223

7.3.2共模電感224

7.4應(yīng)對(duì)措施3——共模電流疏導(dǎo)225

7.4.1Y電容225

7.4.2并行供電226

7.4.3串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)電路227

7.5差模干擾測(cè)量227

7.5.1常規(guī)電壓探頭227

7.5.2電源軌探頭229

參考文獻(xiàn)235

延伸閱讀236

第8章共源極電感的影響與應(yīng)對(duì)238

8.1共源極電感238

8.1.1共源極電感及其影響238

8.1.2開(kāi)爾文源極封裝241

8.2對(duì)比測(cè)試方案242

8.2.1傳統(tǒng)對(duì)比測(cè)試方案242

8.2.24-in-4和4-in-3對(duì)比測(cè)試方案244

8.3對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程的影響245

8.3.1開(kāi)通過(guò)程245

8.3.2關(guān)斷過(guò)程249

8.3.3開(kāi)關(guān)能量與dVDS/dt253

8.4對(duì)crosstalk的影響257

8.4.1開(kāi)通crosstalk257

8.4.2關(guān)斷crosstalk261

參考文獻(xiàn)265

延伸閱讀266

第9章驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)267

9.1驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)267

9.1.1驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)與發(fā)展267

9.1.2驅(qū)動(dòng)電路各功能模塊269

9.2驅(qū)動(dòng)電阻取值275

9.3驅(qū)動(dòng)電壓280

9.3.1SiC MOSFET對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的要求280

9.3.2關(guān)斷負(fù)電壓的提供281

9.4驅(qū)動(dòng)級(jí)特性的影響283

9.4.1 輸出峰值電流283

9.4.2BJT和MOSFET電流Boost284

9.4.3米勒斜坡下的驅(qū)動(dòng)能力287

9.5信號(hào)隔離傳輸292

9.5.1隔離方式292

9.5.2安規(guī)與絕緣295

9.6短路保護(hù)300

9.6.1短路保護(hù)的檢測(cè)方式301

9.6.2DESAT短路保護(hù)303

參考文獻(xiàn)306

延伸閱讀309

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前言/序言

功率變換器是電能利用的重要裝置，在生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著重要的作用。功率變換器的核心是功率半導(dǎo)體器件，很大程度上決定了功率變換器的性能。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)形成了覆蓋幾伏到幾千伏、幾安到幾千安的龐大家族，常用的功率半導(dǎo)體器件類型包括MOSFET、IGBT、二極管、晶閘管、GTO晶閘管等。

大部分功率器件是基于Si半導(dǎo)體材料的，其特性已接近理論極限，成為功率變換器發(fā)展的瓶頸。為了獲得具有更加優(yōu)異特性的器件，第三代半導(dǎo)體材料SiC、GaN受到了越來(lái)越多的關(guān)注。與Si功率器件相比，SiC功率器件具有更高的開(kāi)關(guān)速度、能夠工作在更高的結(jié)溫下、可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電壓和大電流。這些特性能夠顯著提升功率變換器的性能，獲得更高的電能轉(zhuǎn)換效率、實(shí)現(xiàn)更高的功率密度、降低系統(tǒng)成本。SiC功率器件適合應(yīng)用于汽車牽引逆變器、電動(dòng)汽車車載充電機(jī)、電動(dòng)汽車充電樁、光伏、不間斷電源系統(tǒng)、能源儲(chǔ)存以及工業(yè)電源等領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)外SiC產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟，主流功率半導(dǎo)體器件廠商都已經(jīng)推出了SiC功率器件產(chǎn)品，成本也不斷下降，SiC功率器件的應(yīng)用正處于爆發(fā)式增長(zhǎng)中。

作者致力于功率半導(dǎo)體器件測(cè)試、評(píng)估與應(yīng)用技術(shù)的研究和推廣工作，特別對(duì)SiC功率器件有深入研究和深刻認(rèn)知，精通器件測(cè)試設(shè)備和測(cè)量方法。在多年的研究工作中，作者深深地體會(huì)到掌握功率器件原理、測(cè)量原理與設(shè)備、相關(guān)應(yīng)用技術(shù)對(duì)更好地開(kāi)展相關(guān)研究和提升變換器特性具有重要意義，同時(shí)還了解到廣大科研人員和工程師對(duì)了解和掌握SiC器件相關(guān)知識(shí)和技術(shù)的迫切需求，本書(shū)正是在這種背景下編寫的，旨在幫助讀者深入了解SiC器件的特性和測(cè)試方法，明確可能存在的應(yīng)用技術(shù)挑戰(zhàn)并掌握應(yīng)對(duì)措施。這樣既可以幫助科研工作者快速掌握本領(lǐng)域的最新重要成果，為科研工作提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，還能夠幫助廣大工程師更好地應(yīng)用SiC器件，推進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

全書(shū)共分為9章：

 第1章為功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)，首先介紹了Si功率器件的發(fā)展過(guò)程、特性及不足，再以半導(dǎo)體材料特性為基礎(chǔ)介紹SiC功率器件相比Si功率器件的優(yōu)勢(shì)，還介紹了商用SiC功率器件和封裝的發(fā)展現(xiàn)狀。

 第2章為SiC MOSFET參數(shù)的解讀、測(cè)試及應(yīng)用，首先詳細(xì)介紹了SiC MOSFET的最大值、靜態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)三大類參數(shù)的定義，并深入器件原理解釋相關(guān)特性，給出了各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量方法。另外，還詳細(xì)介紹了器件參數(shù)的實(shí)際應(yīng)用，包括FOM值、建模與仿真、器件損耗計(jì)算。

 第3章為雙脈沖測(cè)試技術(shù)，首先以典型功率變換拓?fù)涞膿Q流過(guò)程為例說(shuō)明采用雙脈沖測(cè)試評(píng)估器件開(kāi)關(guān)特性的合理性，接著詳細(xì)介紹了雙脈沖測(cè)試的基本原理、參數(shù)設(shè)定、測(cè)試平臺(tái)、測(cè)量?jī)x器和測(cè)量挑戰(zhàn)。

 第4章為SiC器件與Si器件特性對(duì)比，包含SiC MOSFET與Si SJ-MOSFET的對(duì)比，SiC MOSFET與Si IGBT的對(duì)比，SiC SBD、SiC MOSFET體二極管、Si FRD、Si SJ-MOSFET體二極管的對(duì)比。

 第5章為關(guān)斷電壓尖峰的影響與應(yīng)對(duì)，詳細(xì)介紹了關(guān)斷電壓尖峰的影響因素及三種應(yīng)對(duì)措施，包括回路電感控制、去耦電容和降低關(guān)斷速度。

 第6章為crosstalk的影響與應(yīng)對(duì)，詳細(xì)介紹了crosstalk基本原理和關(guān)鍵影響因素及兩種應(yīng)對(duì)措施，包括米勒鉗位和回路電感控制。

碳化硅功率器件：特性、測(cè)試和應(yīng)用技術(shù)前言  第7章為共模電流的影響與應(yīng)對(duì)，詳細(xì)介紹了信號(hào)通路共模電流的基本原理和特性以及三種應(yīng)對(duì)措施，包括高CMTI驅(qū)動(dòng)芯片、高共模阻抗和共模電流疏導(dǎo)，此外還介紹了差模干擾測(cè)量技術(shù)。

 第8章為共源極電感的影響與應(yīng)對(duì)，詳細(xì)介紹了共源極電感對(duì)器件開(kāi)關(guān)特性和crosstalk的影響及開(kāi)爾文源極封裝的優(yōu)勢(shì)，并提出了創(chuàng)新的測(cè)試評(píng)估方法。

 第9章為驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，為讀者搭建了驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)，詳細(xì)介紹了驅(qū)動(dòng)電阻取值、驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)級(jí)特性的影響、信號(hào)隔離傳輸和短路保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)。

作者在章節(jié)設(shè)置、內(nèi)容選擇、表述方式、波形展示等方面做了大量的工作，力求內(nèi)容條理清晰、通俗易懂，能夠切實(shí)幫助讀者的學(xué)習(xí)和工作。首先，在進(jìn)行知識(shí)講解時(shí)，注重為讀者搭建系統(tǒng)的知識(shí)框架，避免“只見(jiàn)樹(shù)木不見(jiàn)森林”。其次，在SiC器件應(yīng)用挑戰(zhàn)的應(yīng)對(duì)措施的講解中，不一味追求最新學(xué)術(shù)研究成果，而是選擇能夠?qū)嶋H應(yīng)用的技術(shù)，切實(shí)解決SiC器件的應(yīng)用問(wèn)題。另外，書(shū)中使用了大量篇幅對(duì)測(cè)試設(shè)備、測(cè)試方法進(jìn)行了詳細(xì)的講解，幫助功率器件和電力電子研究者和工程師彌補(bǔ)測(cè)試技術(shù)這一短板。同時(shí)，書(shū)中絕大多數(shù)波形采用實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)應(yīng)的分析和結(jié)論更加貼近實(shí)際應(yīng)用，可直接指導(dǎo)應(yīng)用設(shè)計(jì)，避免理論理想波形與實(shí)際測(cè)試波形之間的偏差所帶給讀者的困惑。最后，在每一章結(jié)尾給出了豐富的參考文獻(xiàn)和有價(jià)值的延伸閱讀資料，多為工業(yè)界應(yīng)用手冊(cè)和具備工程應(yīng)用前景的學(xué)術(shù)論文，兼顧前沿性與實(shí)用價(jià)值。

業(yè)內(nèi)多位專家參與了本書(shū)的素材提供，他們是西安電子科技大學(xué)袁昊助理研究員（1.2.2.1節(jié)），西安交通大學(xué)趙成博士（1.2.2.3節(jié)），西安交通大學(xué)李陽(yáng)博士（2.1節(jié)、2.2節(jié)和2.3節(jié)），Keysight Technologies,Inc査海輝（2.4節(jié)），Keysight Technologies, Inc馬龍博士（2.6節(jié)），Teledyne LeCroy Inc李惠民（3.3.1節(jié)），Keysight Technologies,Inc朱華朋（3.4節(jié)）。

在本書(shū)編寫過(guò)程中，王郁恒、謝毅聰、王華、叢武龍、王濤、劉杰、張珅華、童自翔、羅岷、Dominic Li提出了很多寶貴的意見(jiàn)和建議，在此對(duì)以上各領(lǐng)域的專家表示衷心的感謝。在本書(shū)出版過(guò)程中，得到了西安交通大學(xué)楊旭教授、浙江大學(xué)盛況教授的關(guān)心和幫助，在此深表感謝。同時(shí)，還得到了王增勝，王舶男，郝世強(qiáng)，董潔，張金水，童安平，李國(guó)文，Teledyne LeCroy Inc郭子豪，西安交通大學(xué)張巖，Kegsight Technologies,Inc薛原、李軍、陳杰，Tektronix Inc陳鑫磊、董琦、孫陽(yáng)的支持和幫助，在此也一并表示感謝。

此外，還要感謝西安交通大學(xué)王兆安教授，是他帶領(lǐng)我進(jìn)入了電力電子領(lǐng)域；感謝李明博士，是他讓我與功率半導(dǎo)體器件結(jié)緣；感謝西安交通大學(xué)楊建國(guó)教授，是他讓我認(rèn)識(shí)到測(cè)量測(cè)試的重要性和樂(lè)趣。

最后，要特別感謝父母對(duì)我的養(yǎng)育，他們?cè)诒緯?shū)編寫過(guò)程中給予我巨大的理解和支持。

由于作者水平有限，書(shū)中難免有錯(cuò)誤和不當(dāng)之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

高遠(yuǎn)

2020年12月

新能源、軌道交通和電動(dòng)汽車是我國(guó)重要的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著舉足輕重的地位。電力電子和功率半導(dǎo)體器件技術(shù)是這些行業(yè)中的共性關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)。基于碳化硅材料的功率半導(dǎo)體器件，具有擊穿電壓高、導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗低等特點(diǎn)，是新一代功率半導(dǎo)體器件的代表。在過(guò)去的三十多年里，國(guó)際上多個(gè)國(guó)家和大型跨國(guó)公司都持續(xù)對(duì)碳化硅器件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行了大量投入，攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題，開(kāi)發(fā)出了一系列性能優(yōu)良的碳化硅器件。當(dāng)前，碳化硅器件在新能源、軌道交通和電動(dòng)汽車等重要領(lǐng)域已經(jīng)呈現(xiàn)出廣泛應(yīng)用的趨勢(shì)，是現(xiàn)今行業(yè)的熱點(diǎn)技術(shù)，也是我國(guó)迫切需要發(fā)展的電力電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的核心。

本書(shū)是一本介紹碳化硅器件與測(cè)試應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的專著，內(nèi)容涵蓋功率半導(dǎo)體基礎(chǔ)、碳化硅器件的測(cè)試表征技術(shù)、以及碳化硅器件在電路中的應(yīng)用。本書(shū)涉及面廣、內(nèi)容翔實(shí)、配有大量圖表數(shù)據(jù)和精美圖例，便于讀者快速、全面了解碳化硅器件的原理、測(cè)試表征方法與實(shí)踐應(yīng)用技術(shù)。

本書(shū)作者為碳化硅行業(yè)內(nèi)資深專家，長(zhǎng)期從事碳化硅器件的測(cè)試和表征工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)碳化硅器件的原理和應(yīng)用技術(shù)有著深刻的認(rèn)識(shí)。經(jīng)過(guò)數(shù)年的筆耕，這本書(shū)終于出現(xiàn)在讀者面前。相信本書(shū)作者豐富的經(jīng)驗(yàn)會(huì)為讀者提供多方面的視角以及對(duì)碳化硅器件的測(cè)試應(yīng)用提供深入的認(rèn)知。

浙江大學(xué)盛況

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