方旭的文献综述

中国计量学院毕业设计（论文）文献综述学生姓名：方旭学号：1100201517专业：测控技术与仪器班级：11测控5设计（论文）题目：基于Simulink的高频电源寄生参数的影响指导教师：侯德鑫院（系）：计测测试工程学院2015年3月20日11.概述20世纪80年代以来，随着电力电子技术的日新月异，现代电力电子装置不断向着高频率、高功率密度和大容量的方向发展，相应地，开关器件的耐压和耐流水平也必须有所提升[1][2]。随之而来的也有许多问题：由于开关管在换流过程中将出现极快的电流(或电压)的上升和下降过程，电流变化率可达几百A/μs，电压变化率则可上升至数百V/μs，过大的di/dt作用于寄生电感，将会造成很高的电压尖峰，危及开关器件，同时增加开关损耗和电磁干扰噪声；而另一方面，在开关管关断的瞬间，过大的du/dt作用于寄生电容，此现象会增加电路的功耗并破坏电路的可靠性；此外，寄生电阻的存在会给高频变换器的功耗、高频响应、测量误差以及开关脉冲波形和稳定运行等造成不利影响[3][4]。由此可见，寄生参数对高频功率变换器能效的影响，已经越来越不容小觑。在过去的几十年中，研究者们对电路以及器件中的寄生参数做了很多的研究分析。本课题主要就电路杂散参数和主要功率器件MOSFET的杂散参数进行研究分析。2.基本内容和主题2.1基本内容本课题主要研究的是高频电源中的MOSFET器件的寄生电容，源边电感和线路中的寄生电容,电感以及电阻对整个开关电源的影响。功率MOSFET，以其开关速度快、驱动功率小、过载能力强等优点，在开关电源等领域中广泛应用，使电源的进一步小型化成为现实。现代MOSFET技术也已朝着更为精密且性能优良的方向发展。我们在应用MOS管和设计MOS管驱动的时候，有很多寄生参数，其中最影响MOS管开关性能的是源边感抗。寄生的源边感抗主要有两种来源，第一个就是晶圆DIE和封装之间的Bonding线的感抗，另外一个就是源边引脚到地的PCB走线的感抗（地是作为驱动电路的旁路电容和电源网络滤波网的返回路径）。在某些情况下，加入测量电流的小电阻也可能产生额外的感抗。MOSFET的寄生参数对MOSFET的性能起着重要的影响。MOSFET漏极与源极之间的寄生电容的存在会对输出信号的电压、电流、频率等存在影响。由此可见，MOSFET的寄生参数的变化，会对MOSFET结构产生影响，更会对MOSFET的性能起到至关重要的作用。2.2主题本课题所研究的高频电源是基于MOSFET的H桥逆变器的开关电源，因此有必要先对功率MOSFET作一定的分析与阐述。文献[5]着重研究SiCMOSFET，分析了器件特性及参数，建立了PSpice仿真模型，引入温控电压源和温控电流源补偿温度特性，使该模型在较宽的温度范围内有效，并考虑了SiCMOSFET负压关断2的影响；研究了SiCMOSFET对驱动电路的要求，设计实现了SiCMOSFET。单管及构成桥臂两种应用场合的驱动电路，并进行了高低温实验条件下的测试，验证了模型及建模方法的合理性和有效性。介绍了MOSFET的开关特性，而开关特性的决定因素是MOSFET的各个寄生电容。主要讨论对MOSFET开关特性起到关键影响作用的CGS、CGD的建模。针对SiCMOSFET的特性，研究了SiCMOSFET单管及构成桥臂两种应用场合下的驱动电路，搭建了Buck变换器，验证了模型及建模方法的合理性和有效性。文献[6][7]根据MOSFET的简化模型，分析了导通损耗和开关损耗，通过典型的修正系数，修正了简化模型的极间电容。通过开关磁铁电源的实例计算了工况下MOSFET的功率损耗，并且采用多管并联的方式研制出10kW高频感应加热电源,对该电源的逆变电路、控制电路、多管并联驱动等问题做了研究和实验。文献[8]主要研究高频功率MOSFET的驱动电路和在动态开关模式下的并联均流特性。首先简要介绍功率MOSFET的基本工作原理及静态及动态特性,然后根据功率MOSFET对驱动电路的要求,对驱动电路进行了参数计算并且选择应用了实用可靠的驱动电路。此外,对功率MOSFET在兆赫级并联由于不同的参数影响而引起的电流分配不均衡问题做了仿真研究及分析。最后采用实验方法对兆赫级功率MOSFET双管并联在动态开关模式下的均流特性进行研究并采用了一些行之有效的措施使得电流分配基本均衡。文献[9][10]针对不同的环境因素，分别对器件的主要失效模式进行仿真分析，通过温度和等效热应力的仿真结果，结合Paris方程、Coffin-Manson准则等理论模型，实现了器件的剩余寿命预测。最后对20只相同型号的功率MOSFET在温度循环、功率循环、热击穿和湿热环境下的进行可靠性试验。而且介绍了功率MOSFET的驱动特点及驱动参数计算，根据实际情况设计了MOSFET驱动电路。针对MOSFET电流扩容要求，从理论上分析了影响MOSFET并联动静态不均流的各种因素,提出了相应的解决措施，并进行了仿真分析。针对MOSFTE工作过程中出现的电压，电流尖峰和大的开关损耗问题。文献[11]对功率MOSFET的基本工作原理!主要参数以及基本特性进行分析，研究了功率MOSFET主要参数的数学模型以及主要参数之间的相互关系，为它在实际工作环境中的应用奠定了理论基础。文献[12]采用MOSFET研究工作在更高频率下的固体开关技术。使用MOSFET大量串联和并联的关键技术有:触发信号的光纤隔离技术、MOSFET器件的驱动技术、MOSFET动态过程中的电压和电流均衡技术、MOSFET器件过电压保护技术。针对以上关键技术进行了理论上的电路参数设计，建立电路模型并使用PSPice进行数值模拟，并据此进行了关键器件的选择，构建试验平台开展相应的研究工作。试验表明MOSFET开关可以工作在数兆赫兹的重复频率下，在串联和并联使用少量MOSFET器件后可以提高开关的耐压和电流，同时不会对开关的前后沿造成太大影响。试验研究也发现了大量MOSFET器件串并联使用以进一步提高开关耐压和电流时潜在的问题。同时3运用MOSFET开关构成的脉冲发生装置，研究了MOSFET器件在脉冲电压下的耐压特性，为器件保护技术明确了指标。文献[13][14]介绍了寄生电容，寄生电感，寄生电阻等寄生参数的相关概念。研究设计一种高频(1MHz以上)大功率全固态感应加热电源逆变电路的拓扑结构。通过参考比较几种高频逆变电路，选择设计一种大功率逆变拓扑结构，为以后电源装置的设计调试、减少器件成本及提高工作效率提供良好的前期准备。为提高逆变器工作频率,详细分析了MOSFET的高频特性，认为高频损耗是影响逆变器工作频率的关键因素之一。因此，针对这种情况，提出高速MOSFET驱动器应具各的几点要求以及降低MOSFET高频开关损耗的几项措施。文献[15]首次用矩形等效源建立了ＭＯＳＦＥＴ电势分布二维半解析模型，综合半解析法和特征函数展开法求出二维电势分布函数，并由此得出寄生电容的解析表达式。研究结果表明，减小源／漏区尺寸和栅极厚度可以减小寄生电容，沟道长度的变化对寄生电容几乎没有影响，栅介电常数的增加会使边缘电容减小。模型求解时精度高、运算量小，可直接用于电路模拟程序和器件设计。文献[16]根据栅极电荷与栅源及栅漏电压关系，提出了MOSFET的栅极和源极/漏极之间的寄生电容的模型，用半解析法计算了这些寄生电容，得到了寄生电容与几何尺寸之间的关系。文章的计算结果表明改变栅极电介质常数可以得到一个寄生电容的最小，计算结果与CST仿真结果能够很好地符合。文献[17]为解决功率MOSFET寄生电容劣化影响寿命的问题，在MOSFET非线性模型基础上，深入分析MOSFET寄生电容参数和开关管瞬态响应信号之间的关系，推导了各参数和瞬态响应之间的关系表达式，并用Saber仿真实验进行验证。由于栅极对MOSFET的性能影响至关重要，所以此次实验分析了和栅极相关的栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd。结果表明，在寄生参数相同劣化程度时，栅源电容对瞬态响应的影响达到7.08%，而栅漏电容近似只有1.6%。栅源电容的劣化更大程度上影响瞬态响应，为MOSFET劣化提供了新的研究思路。文献[18]讨论了影响寄生电容电流的因素，结合实例，详细分析了寄生电容电流对控制回路影响的特点，并提出了相应的解决方法。文献[19]致力于计及寄生参数的高频功率变换器能效分析与研究，内容涵盖了电力电子器件寄生参数的模型建立及其测量提取和行为特性分析，功率器件的损耗建模和功率变换器的效率分析等内容。论文的主要工作如下：分析了影响高频变换器功率和效率的各个因素，并在计及寄生参数的基础之上，提出了新型能效分析的评价指标，综合考虑制约能效特性的各类参数对其产生的影响，以保证高频变换器系统可以更好的实现高功率、高效率的能量输出。文献[20]讨论了对寄生电容灵敏性的直接判据，提出了消除寄生电容影响的方法，并探讨了利用对寄生电容不灵教电路块综合一阶开关电容网络的途径。43.总结本课题主要是针对以功率MOSFET管为开关器件的H桥逆变电路的寄生参数的分析。首先是对MOSFET的特性以及在大功率高频电源电路的应用中的问题进行了说明，阐述了MOSFET在高频电源电路应用中的寄生参数来源对整个电路的影响并分析了原因，并提出了相应的解决和预防措施。参考文献[1]陈坚，电力电子学——电力电子变换和控制[M]．北京：高等教育出版社，2002：306-315．[2]蔡宣三，龚绍文．高频功率电子学[M]．北京:中国水利水电出版社，2009[3]RockwellSci.Center,ThousandOaks,CAKerkman,R.,Schlegel,D.,Leggate,D.,TheeffectofcircuitParasiticimpedanceontheperformanceofIGBTsinvoltagesourceinvertersAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,2001.AEEC2001.SixteenthAnnualIEEE,2001(2):995-1001．[4]LIFangzheng,SUNXudong,HUANGLiPei，etal.ParasiticParametersofCapacitorTankinConverterandtheEffectonSwitchingTransientprocess[J].DeltaPowerElectronicsResearch&EducationFoundation.TsinghuaUniversity,2009：736-739.[5]陆珏晶，碳化硅MOSFET应用技术研究，南京航空航天大学，2013-01-01[6]罗四海;娄本超;唐君;李彦，MOSFET的损耗分析与工程近似计算，电子设计工程，2011-11-05[7]王生德，翟玉，郑州大学学报(自然科学版)，年，卷(期)：2001,23(3)[8]苏娟，高频功率MOSFET驱动电路及并联特性研究，西安理工大学，2003-03-01[9]李求洋，功率MOSFET可靠性建模的研究，哈尔滨工业大学，2012-07-01[10]余娟，功率MOSFET应用研究及主电路设计，西安理工大学，2005-03-01[11]徐长杰，功率MOSFET在大功率电子开关中的应用研究，北方工业大学，2009-06-04[12]赵军平，基于MOSFET的高重复频率固体开关技术研究，中国工程物理研究院，2004-05-01[13]刘锋，基于MOSFET高频大功率逆变电源主电路拓扑结构的研究，西安理工大学，2004-03-01[14]金善子，版图设计中的寄生参数分析，中国集成电路，2006-11-05[15]王敏;王保童;柯导明超短沟道高k栅MOSFET寄生电容，中国科学技术大学5学报，2013-10-15[16]樊进;柯导明;薛峰;陈军宁，高k栅MOSFET栅–源/漏寄生电容的半解析模型，中国科学:信息科学，2014-07-20[17]戴宇晟;王国辉;关永;吴立锋;李晓娟，功率MOSFE