如何从技术上来实现碳化硅场效应管的双向特性?


实现碳化硅场效应管的双向特性,本质上是让器件在正、反向电压下都能可控导通电流,以下是几种从技术上实现其双向特性的方法:
背靠背连接方式
实现原理
将两个碳化硅场效应管(如两个SiC MOSFET)的源极(S)相互连接,两个器件的栅极(G)和漏极(D)分别独立引出。当正向电压施加在两个漏极之间时,其中一个器件的栅 - 源电压满足导通条件,该器件导通,电流从正向电压的正极经导通的器件流向负极;当反向电压施加时,另一个器件的栅 - 源电压满足导通条件,此器件导通,电流从反向电压的正极经导通的器件流向负极,从而实现双向电流控制。
电路示例
+V ----[SiC MOSFET 1]----[SiC MOSFET 2]---- -V | | S S
在这个电路中,当+V为正、-V为负时,通过控制SiC MOSFET 1的栅极使其导通,电流从+V流向-V;当+V为负、-V为正时,控制SiC MOSFET 2的栅极使其导通,电流从-V流向+V。
优缺点
优点:实现相对简单,成本较低,不需要额外的复杂电路设计。而且两个器件可以独立控制,灵活性较高。
缺点:需要两个独立的驱动电路来分别控制两个场效应管,增加了电路的复杂性和成本。同时,两个器件的参数一致性要求较高,否则可能导致电流分配不均匀,影响器件的性能和可靠性。
集成双向开关方案
实现原理
一些半导体厂商推出了集成双向开关产品,其内部集成了两个碳化硅场效应管以及相关的驱动和控制电路。通过一个控制信号就可以实现对双向电流的控制。例如,在内部电路中,通过巧妙的设计,使得当控制信号为高电平时,一个场效应管导通,另一个截止;当控制信号为低电平时,情况相反,从而实现双向导通。
典型结构
集成双向开关通常采用先进的封装技术,将两个场效应管集成在一个芯片上,并集成驱动芯片、保护电路等。驱动芯片根据输入的控制信号,精确地控制两个场效应管的导通和截止状态。保护电路则用于监测器件的工作状态,如过流、过压等,当出现异常情况时及时采取保护措施。
优缺点
优点:电路集成度高,减少了外部元件的数量,简化了电路设计,提高了系统的可靠性和稳定性。同时,由于是集成设计,两个场效应管的参数一致性较好,电流分配均匀。
缺点:集成双向开关的成本相对较高,而且其控制方式相对固定,灵活性可能不如背靠背连接方式。此外,一旦集成芯片出现故障,可能需要更换整个芯片,维修成本较高。
利用反并联二极管辅助实现
实现原理
在碳化硅场效应管的两端反并联一个二极管(可以是普通的硅二极管或碳化硅二极管)。当正向电压施加时,场效应管在栅极控制下导通,电流主要从场效应管通过;当反向电压施加时,反并联的二极管导通,为反向电流提供通路。同时,可以通过额外的控制电路,在需要时控制场效应管在反向电压下也导通,以降低反向导通损耗。
电路示例
+V ----[SiC MOSFET]---- -V | [Diode]
在这个电路中,当+V为正、-V为负时,SiC MOSFET导通,电流从+V流向-V;当+V为负、-V为正时,二极管导通,电流从-V流向+V。如果需要降低反向导通损耗,可以通过控制电路使SiC MOSFET在反向电压下也导通。
优缺点
优点:实现方式简单,成本较低。反并联二极管可以在一定程度上保护场效应管免受反向电压的损害。
缺点:反并联二极管的导通压降较大,会增加反向导通时的损耗。而且,这种方式不能完全实现场效应管在双向电压下的主动控制,反向电流主要依赖二极管导通。
新型拓扑结构控制
实现原理
采用一些新型的电力电子拓扑结构,如双向Buck - Boost变换器、双向全桥电路等,通过合理的控制策略,使碳化硅场效应管在拓扑结构中实现双向导通。例如,在双向Buck - Boost变换器中,通过控制开关管的导通和截止时间,可以实现能量的双向流动,从而使场效应管在正、反向电压下都能可控导通电流。
双向Buck - Boost变换器示例
在双向Buck - Boost变换器中,碳化硅场效应管作为开关管使用。当能量从输入端流向输出端时,通过控制开关管的导通和截止,实现降压或升压功能;当能量需要从输出端流向输入端时,改变控制策略,使开关管在反向电压下也能导通,实现能量的反向流动。
优缺点
优点:可以实现高效的能量双向流动,适用于一些对能量转换效率要求较高的应用,如电动汽车的双向充电系统、储能系统等。同时,通过合理的拓扑结构和控制策略,可以提高系统的稳定性和可靠性。
缺点:拓扑结构和控制策略相对复杂,需要专业的电力电子知识和设计经验。而且,系统的成本较高,需要多个场效应管和其他元件。
责任编辑:Pan
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