基于隧道磁电阻TMR的SiC MOSFET模块短路和过流保护技术
批准号:
52077198
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
邵帅
依托单位:
学科分类:
电力电子学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
邵帅
中文摘要
由于碳化硅MOSFET的短路故障电流上升速度快、峰值大,短路承受时间远低于硅IGBT,且过流时门极栅氧层易老化,碳化硅MOSFET要求更为快速可靠的保护技术。本项目提出基于隧道磁电阻TMR的碳化硅MOSFET短路和过流保护技术,设计并制备集成TMR传感器和保护功能的碳化硅MOSFET模块。作为新型传感器,TMR阻值随周围磁场而变化,构建桥式电路即可测量电流,由于无需积分器,可以测量直流及缓变电流,使得短路和过流检测更为快速可靠。本项目首先研究最适宜碳化硅MOSFET电流检测的TMR测量电路;研究基于TMR的碳化硅MOSFET过流及短路检测技术,使故障检测和保护时间分别小于500ns和1μs;最后研究TMR传感器在碳化硅MOSFET模块内部的布局与屏蔽技术,制备集成TMR的碳化硅MOSFET模块。本项目将提供一种可靠、快速的碳化硅MOSFET短路保护技术,为碳化硅器件的大规模应用提供支撑。
英文摘要
Compared to Si IGBT, the short-circuit faulty current of a SiC MOSFET has a much faster rising rate and a higher peak value, and the short-circuit withstand time (SCWT) of a SiC MOSFET is much shorter. In addition, the gate oxide of a SiC MOSFET can degrade after over current faults, leading to leakage current at the gate electrode. This project proposes a short-circuit and over-current protection scheme based on the tunnel magnetoresistance (TMR), designs and constructs a SiC MOSFET module integrated with TMR sensors and corresponding protection scheme. As a new type of current sensor, the resistance of TMR changes with the external magnetic field, and current can be measured using a bridge circuit composed of TMRs. Due to the elimination of the integrator, the current measurement based on TMRs can sense the current with low di/dt and dc current, enabling a more reliable and faster short-circuit fault detection in a SiC MOSFET. This project will firstly study different types of TMR circuit for current measurement of SiC MOSFET and find the most suitable one for SiC MOSFET fault detection; then based on the current measured by TMR, over-current and short-circuit protection for SiC MOSFET will be studied to achieve detection and protection time less than 500ns and 1μs respectively; finally the layout of the TMR sensors as well as its shielding technique will be studied in a SiC MOSFET module, and a SiC MOSFET module with integrated TMR current measurement sensors will be constructed. This project will provide a reliable and fast short-circuit and over-current protection method for SiC MOSFET modules to boost their applications.
由于碳化硅MOSFET的短路故障电流上升速度快、峰值大,短路承受时间远低于硅IGBT,且过流时门极栅氧层易老化,碳化硅MOSFET要求更为快速可靠的保护技术。本项目提出基于隧道磁电阻TMR的碳化硅MOSFET短路和过流保护技术,设计并制备集成TMR传感器和保护功能的碳化硅MOSFET模块。研究对比了单芯片TMR传感器、梯度TMR传感器和环形TMR传感器三种电流测量方案,得出了最适宜SiC MOSFET短路及过流保护的TMR传感方案。针对耦合到TMR电流传感器开关尖刺,建立了开关噪声耦合到TMR传感器的电路模型并仿真验证,提出了梳状地屏蔽方法,建立了模型解释其屏蔽开关尖刺的机理,实验结果表明,可以将开关尖刺减少约70%。利用TMR传感器内部绑定线与待测电流互感,提升传感器感应电流高频成分的增益,采用TMR及运放裸片研制了TMR电流传感器,测量1MHz三角波的测量延时仅为10ns左右。分析了SiC MOSFET模块直流环路寄生电感与短路保护关断尖刺的关系,提出了一种软关断的电路并实验验证。将TMR传感器集成到Cree公司的62mm碳化硅模块WAB300M12BM3,通过一个TMR电流传感器即可同时监测一个模块上、下功率器件过流故障。同时,在短路时,正、负端子同时导通电流,导致测量出磁场倍增,可以减少短路保护检测时间。最终,所提TMR技术的检测时间为80ns,反应时间为98ns,总保护时间为798ns,优于退饱和技术和集成罗氏线圈技术,优于项目任务书规定的指标。将TMR传感器集成到StarPower的HybridPack模块MD29HTC120P6HE中,短路故障测量延时小于100ns。将TMR传感器Semikron公司的SiC MOSFET模块SKM350MB120SCH17,TMR技术的检测时间为76ns,反应时间为42ns,总保护时间为785ns,优于项目任务书规定的指标。.项目共发表SCI论文5篇,EI论文2篇,申请专利2项,培养硕士生5名,其中3名已毕业,2名将于2025年毕业,相关成果获得“浙江省科技进步二等奖”、“中国电力电子与能量转换大会优秀论文奖”。在项目的支持下,有19人次参加国内外会议学术交流;在本项目的培育下,申请人参与了国家重点研发计划项目《宽温域高精度量子电流敏感元件及传感器》(2023YFB3209900),将本项目成果用于该项目。
民营上市公司实际控制人特质、控股方式及其经济后果研究
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批准号:71702162
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:18.0万元
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批准年份:2017
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负责人:邵帅
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依托单位:
基于滑模观测器和电容电压变化率的MMC关键元件故障诊断方法研究
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批准号:51607156
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2016
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负责人:邵帅
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依托单位:
国内基金
海外基金