本發(fā)明涉及一種基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高壓器件，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

碳化硅(Silicon Carbide,SiC)作為第三代半導(dǎo)體材料,具有高耐壓、高耐溫等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到了功率器件領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。SiC器件歷經(jīng)了20多年的發(fā)展，到目前為止，只有1200V和1700V SiC MOSFET和SiC JFET已經(jīng)有一些商業(yè)化產(chǎn)品，更高電壓SiC器件還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，由于技術(shù)和成本原因，目前還未得到大規(guī)模使用。其中SiC MOSFET具有開(kāi)關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性能好、無(wú)二次擊穿問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn),但電流反向流動(dòng)時(shí)，其自身寄生二極管的導(dǎo)通壓降大。SiC JFET管具有高溫特性好、放大性能好、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備工藝成熟，可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但其門(mén)極閥值常為負(fù)電壓，在未加驅(qū)動(dòng)負(fù)壓時(shí)為常開(kāi)器件，因此不能被工業(yè)界廣泛接受。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高壓器件。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高壓器件，包括MOSFET、N個(gè)JFET、N個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路、混合高壓器件的源極、混合高壓器件的柵極以及混合高壓器件的漏極；

MOSFET的源極與混合高壓器件的源極連接，MOSFET的柵極與混合高壓器件的柵極連接，N個(gè)JFET依次串聯(lián)，第i個(gè)JFET的漏極與其相鄰的第i+1個(gè)JFET的源極連接，i為整數(shù)，0<i<N，第1個(gè)JFET的源極與MOSFET的漏極連接，第N個(gè)JFET的漏極與混合高壓器件的漏極連接；

N個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路依次串聯(lián)，第i個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與其相鄰的第i+1個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接，第1個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸入端與混合高壓器件的柵極連接，N個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸出端分別與N個(gè)JFET的柵極連接。

還包括MOSFET驅(qū)動(dòng)電阻和N個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電阻；MOSFET驅(qū)動(dòng)電阻的一端與MOSFET的柵極連接，另一端與混合高壓器件的柵極連接，JFET驅(qū)動(dòng)電阻兩端分別與JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸出端以及該JFET驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)的JFET柵極連接。

JFET驅(qū)動(dòng)電路包括并聯(lián)的穩(wěn)壓管串、二極管以及電阻電容串聯(lián)回路，穩(wěn)壓管串的陽(yáng)極、二極管的陽(yáng)極以及電阻電容串聯(lián)回路的一端連接成第一節(jié)點(diǎn)，第一節(jié)點(diǎn)為JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，穩(wěn)壓管串的陰極、二極管的陰極以及電阻電容串聯(lián)回路的另一端連接成第二節(jié)點(diǎn)，第二節(jié)點(diǎn)為JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸出端。

穩(wěn)壓管串包括若干個(gè)串聯(lián)的穩(wěn)壓管，第一個(gè)穩(wěn)壓管的陽(yáng)極作為穩(wěn)壓管串的陽(yáng)極，最后一個(gè)穩(wěn)壓管的陰極作為穩(wěn)壓管串的陰極，兩個(gè)相鄰穩(wěn)壓管的陽(yáng)極與陰極連接。

N＝5。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：1、本發(fā)明電路功率部分通過(guò)碳化硅器件串聯(lián)，并通過(guò)穩(wěn)壓管、二極管、電阻、電容等元件實(shí)現(xiàn)JFET驅(qū)動(dòng)，最終的混合型高壓器件可實(shí)現(xiàn)至少6kV的高耐壓，相對(duì)其他高壓器件，本高壓器件成本低，可實(shí)現(xiàn)高頻率、高效率和高功率密度，適用中高壓電力電子變換器應(yīng)用領(lǐng)域；2、本發(fā)明開(kāi)關(guān)頻率較其他高壓器件高很多，因此其組成的換流器功率密度高；3、本發(fā)明僅有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輸入端口，驅(qū)動(dòng)比較簡(jiǎn)單；4、穩(wěn)壓管串鉗位電路僅在靜態(tài)時(shí)有效，動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，功率器件分壓由電阻電容決定，穩(wěn)壓管無(wú)需擊穿運(yùn)行，因此，實(shí)際運(yùn)行的開(kāi)關(guān)損耗較小；5、本發(fā)明導(dǎo)通損耗相對(duì)較小，SiC MOSFET的正門(mén)極閥值具有很強(qiáng)的抗干擾能力；6、電路中電流反向流動(dòng)時(shí)，通過(guò)對(duì)電容自動(dòng)放電，電流僅流過(guò)SiC JFET通道，既降低了導(dǎo)通損耗，又節(jié)省了反并聯(lián)二極管；7、利用SiC MOSFET的正電壓驅(qū)動(dòng)，并配置合適的正電壓SiC JFET驅(qū)動(dòng)電路，加速混合型高壓器件的開(kāi)通過(guò)程。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的電路圖。

圖2為混合型高壓器件關(guān)斷時(shí)各器件電壓圖。

圖3為混合型高壓器件各器件電壓實(shí)測(cè)圖。

圖4為混合型高壓器件開(kāi)通時(shí)各器件電壓圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，基于碳化硅MOSFET和JFET的混合高壓器件，包括MOSFET、MOSFET驅(qū)動(dòng)電阻、5個(gè)JFET、5個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路、5個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電阻、混合高壓器件的源極、混合高壓器件的柵極以及混合高壓器件的漏極。

MOSFET的源極與混合高壓器件的源極連接，MOSFET的柵極通過(guò)MOSFET驅(qū)動(dòng)電阻與混合高壓器件的柵極連接，5個(gè)JFET依次串聯(lián)，兩個(gè)相鄰JFET的漏極與源極連接，第1個(gè)JFET的源極與MOSFET的漏極連接，第5個(gè)JFET的漏極與混合高壓器件的漏極連接。

5個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路依次串聯(lián)，兩個(gè)相鄰JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與輸入端連接，第1個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸入端與混合高壓器件的柵極連接，5個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸出端分別通過(guò)5個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電阻與5個(gè)JFET的柵極連接。

JFET驅(qū)動(dòng)電路包括并聯(lián)的穩(wěn)壓管串、二極管以及電阻電容串聯(lián)回路，穩(wěn)壓管串的陽(yáng)極、二極管的陽(yáng)極以及電阻電容串聯(lián)回路的一端連接成第一節(jié)點(diǎn)，第一節(jié)點(diǎn)為JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，穩(wěn)壓管串的陰極、二極管的陰極以及電阻電容串聯(lián)回路的另一端連接成第二節(jié)點(diǎn)，第二節(jié)點(diǎn)為JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸出端。

穩(wěn)壓管串包括若干個(gè)串聯(lián)的穩(wěn)壓管，第一個(gè)穩(wěn)壓管的陽(yáng)極作為穩(wěn)壓管串的陽(yáng)極，最后一個(gè)穩(wěn)壓管的陰極作為穩(wěn)壓管串的陰極，相鄰兩個(gè)穩(wěn)壓管的陽(yáng)極與陰極連接。電阻電容串聯(lián)回路包括串聯(lián)的電阻和電容。

上述混合高壓器件的工作原理具體分為靜態(tài)工作、正常關(guān)斷過(guò)程、正常硬開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)程以及正常軟開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)程。

為了更好的說(shuō)明上述工作原理，對(duì)圖1中的各符號(hào)進(jìn)行說(shuō)明：J₁～J₅分別代表5個(gè)JFET，M₁代表MOSFET，R₁～R₅分別代表5個(gè)電阻電容串聯(lián)回路中的電阻，C₁～C₅分別代表5個(gè)電阻電容串聯(lián)回路中的電容，D_Z1～D_Z5分別代表5個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路中的穩(wěn)壓管串，D_F1～D_F5分別代表5個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路中的二極管，MGD1代表MOSFET驅(qū)動(dòng)電阻，JGD1～JGD5代表5個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電阻，CJ_S代表混合高壓器件源極，CJ_D代表混合高壓器件漏極，CJ_G代表混合高壓器件柵極，CJ_S1～CJ_S5分別代表J₁～J₅的源極，CJ_G1～CJ_G5分別代表J₁～J₅的驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，即5個(gè)JFET驅(qū)動(dòng)電路的輸出端，PGS代表驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。

A、靜態(tài)工作(即沒(méi)有開(kāi)關(guān)動(dòng)作)：此時(shí)加在CJ_G的驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)為-5V或0V(0V即驅(qū)動(dòng)電路不工作)，此值小于M₁的門(mén)極閾值，因此M₁是關(guān)斷態(tài)。當(dāng)高壓直流電壓接入混合型高壓器件的CJ_D和CJ_S之間時(shí)，M₁漏極和源極兩端電壓會(huì)逐步上升；此時(shí)R₁C₁串聯(lián)回路兩端電壓也隨之上升，而D_Z1和D_F1必然反向截止；雖然M₁漏極和源極兩端電壓以及R₁C₁串聯(lián)回路兩端電壓的上升率不同，但在該模式下，最終的運(yùn)行狀態(tài)是，當(dāng)CJ_G1和CJ_G兩端電壓等于D_Z1的數(shù)值時(shí)，D_Z1被擊穿，此后M₁漏極和源極以及R₁C₁串聯(lián)回路兩端電壓被D_Z1鉗位到固定數(shù)值，即M₁的耐壓由D_Z1擊穿電壓決定。如果高壓直流電壓很高，D_Z2～D_Z5會(huì)陸續(xù)被擊穿，即CJ_G2～CJ_G5也將會(huì)繼續(xù)被鉗位，該過(guò)程可以保證SiC MOSFET和各SiC JFET的承受耐壓在器件額定值范圍內(nèi)，不會(huì)損壞功率器件。當(dāng)然，實(shí)際電路使用會(huì)考慮電壓余量，一般CJ_G5不會(huì)被鉗位，即J₅一直為導(dǎo)通狀態(tài)，高壓直流電壓由SiC MOSFET和4個(gè)SiC JFET(J₁～J₄)分擔(dān)承受。

B、正常關(guān)斷過(guò)程：此時(shí)加在CJ_G的驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)由正電壓轉(zhuǎn)為-5V，此值小于M₁的門(mén)極閾值，因此M₁進(jìn)入關(guān)斷過(guò)程。實(shí)際電路關(guān)斷過(guò)程開(kāi)始后，混合高壓器件的CJ_D和CJ_S之間必然承受一定高壓直流電壓，因此M₁漏極和源極兩端電壓將會(huì)首先上升；此時(shí)M₁通道部分電流轉(zhuǎn)移至J₁的驅(qū)動(dòng)電路流通，R₁C₁串聯(lián)回路兩端電壓必然也隨之上升，而D_Z1和二極管D_F1必然反向截止；由于M1漏極和源極兩端電壓的上升率小于R₁C₁串聯(lián)回路兩端電壓的上升率(M₁漏極和源極的輸出電容值比C₁值大)，因此，此后M₁漏極和源極兩端電壓上升至一定數(shù)值時(shí)，R₁C₁串聯(lián)回路兩端電壓被上升至M₁漏極和源極兩端電壓與JFET閾值電壓之和，即J₁柵極和源極兩端電壓差變?yōu)樾∮贘FET的門(mén)極閥值電壓，J₁開(kāi)始關(guān)斷過(guò)程，隨后J₁漏極和源極兩端電壓開(kāi)始上升，R₂C₂串聯(lián)回路兩端電壓也同步上升；相同原理，由于J₁漏極和源極兩端電壓的上升率小于R₂C₂串聯(lián)回路兩端電壓的上升率(J₁漏極和源極的輸出電容值比C₂值大)，當(dāng)J₁漏極和源極兩端電壓上升至一定數(shù)值時(shí)，J₂也開(kāi)始關(guān)斷過(guò)程；J₃～J₅的關(guān)斷過(guò)程類(lèi)似，如圖2所示，各碳化硅器件關(guān)斷是個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。此外，如圖3所示，各個(gè)功率器件分擔(dān)的電壓都在D_Z1～D_Z5擊穿電壓之下，整個(gè)關(guān)斷過(guò)程無(wú)需D_Z1～D_Z5擊穿。因?yàn)檎Ｇ闆r下的開(kāi)關(guān)頻率比較高，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期很短的時(shí)間內(nèi)，CJ_G1～CJ_G5各節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)不會(huì)變化很大，即正常關(guān)斷過(guò)程不需要通過(guò)D_Z1～D_Z5來(lái)維持CJ_G1～CJ_G5各節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)，此時(shí)其電勢(shì)由合理設(shè)置C₁～C₅數(shù)值來(lái)控制的電壓上升率維持。

C、正常硬開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)程：

(1)當(dāng)開(kāi)通信號(hào)剛加到CJ_G時(shí)，R₁C₁串聯(lián)回路的C₁還未開(kāi)始放電，D_F1、D_Z1都是逆向截止，此時(shí)所有SiC JFET截止?fàn)顟B(tài)不受影響；由于M₁的柵極接受驅(qū)動(dòng)正脈沖，因此，M₁的輸出電容開(kāi)始通過(guò)M₁通道放電，M₁漏極和源極兩端電壓開(kāi)始下降。由于R₁C₁串聯(lián)回路的C₁電容仍未放電，即節(jié)點(diǎn)CJ_G1的相對(duì)電勢(shì)保持不變，隨著M1漏極和源極兩端電壓下降，即節(jié)點(diǎn)CJ_S1的電勢(shì)下降，J₁柵極和源極兩端電壓差變?yōu)榇笥赟iC JFET的門(mén)極閥值電壓，J₁開(kāi)始緩慢導(dǎo)通，即J₁漏極和源極兩端電壓開(kāi)始下降，此時(shí)R₁C₁串聯(lián)回路的C₁電容通過(guò)J₁的柵極放電，即相當(dāng)于輸出J₁驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。

(2)隨著J₁開(kāi)通，J₁的輸出電容開(kāi)始通過(guò)J₁通道放電，J₁漏極和源極兩端電壓開(kāi)始下降。由于R₂C₂串聯(lián)回路的C₂電容仍未放電，即節(jié)點(diǎn)CJ_G2的相對(duì)電勢(shì)保持不變，隨著J₁漏極和源極兩端電壓下降，即節(jié)點(diǎn)CJ_S2的電勢(shì)下降，J₂柵極和源極兩端電壓差變?yōu)榇笥赟iC JFET的門(mén)極閥值電壓，J₂開(kāi)始緩慢導(dǎo)通，此時(shí)R₂C₂串聯(lián)回路的C₂電容通過(guò)J₂的柵極放電，即相當(dāng)于輸出J₂驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。

(3)J3，J4，J5采用完全類(lèi)似的開(kāi)通過(guò)程，所有器件的整體過(guò)程是相關(guān)交叉，僅是依次相差一個(gè)小的延時(shí)(大約20～50ns)，如圖4所示，其依次開(kāi)通的先后延時(shí)由電阻電容串聯(lián)回路的電容控制。

(4)等所有器件都開(kāi)通后，加到CJ_G的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)D_F1～D_F5鉗位各SiC JFET的柵極電壓，保證SiC MOSFET和所有SiC JFET的柵極都處于門(mén)極閾值電壓以上，都能完全導(dǎo)通，并以此來(lái)減少導(dǎo)通電阻。

D、正常ZVS軟開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)程：ZVS軟開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)程和硬開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)程的區(qū)別在于，此時(shí)CJ_G沒(méi)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，且此時(shí)電流的方向相反。具體的原理如下：

(1)此時(shí)CJ_G無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，R₁C₁串聯(lián)回路的C₁電容還未開(kāi)始放電，D_F1、D_Z1都是逆向截止，此時(shí)SiC MOSFET和所有SiC JFET截止?fàn)顟B(tài)不受影響；由于電流的方向相反，因此，該反向電流對(duì)M₁的輸出電容放電，M₁漏極和源極兩端電壓開(kāi)始下降。由于R₁C₁串聯(lián)回路的C₁電容仍未放電，即節(jié)點(diǎn)CJ_G1的相對(duì)電勢(shì)保持不變，隨著M₁漏極和源極兩端電壓下降，即節(jié)點(diǎn)CJ_S1的電勢(shì)下降，J₁柵極和源極兩端電壓差變?yōu)榇笥赟iC JFET的門(mén)極閥值電壓，J₁開(kāi)始緩慢導(dǎo)通，J₁漏極和源極兩端電壓開(kāi)始下降，此時(shí)R₁C₁串聯(lián)回路的C₁電容通過(guò)J₁的柵極放電，即相當(dāng)于輸出J₁驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。

(2)隨著J₁開(kāi)通，J₁的輸出電容開(kāi)始通過(guò)J₁通道放電，同時(shí)反向電流也對(duì)J₁的輸出電容放電，J₁漏極和源極兩端電壓開(kāi)始下降。由于R₂C₂串聯(lián)回路的C₂電容仍未放電，即節(jié)點(diǎn)CJ_G2的相對(duì)電勢(shì)保持不變，隨著J₁漏極和源極兩端電壓下降，即節(jié)點(diǎn)CJ_S2的電勢(shì)下降，J₂柵極和源極兩端電壓差變?yōu)榇笥赟iC JFET的門(mén)極閥值電壓，J₂開(kāi)始緩慢導(dǎo)通，此時(shí)R₂C₂串聯(lián)回路的C₂電容通過(guò)J₂的柵極放電，即相當(dāng)于輸出J₂驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。

(3)J₃，J₄，J₅采用完全類(lèi)似的開(kāi)通過(guò)程，所有器件的整體過(guò)程是相關(guān)交叉，僅是依次相差一個(gè)小的延時(shí)，其依次開(kāi)通的先后延時(shí)由電阻電容串聯(lián)回路的電容和反向電流大小控制。

(4)等所有器件都開(kāi)通后，雖然M₁的柵極沒(méi)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但反向電流可以走M(jìn)OSFET相應(yīng)的寄生二極管，而所有JFET的柵極都處于“0”電位，因此所有JFET的柵極電壓都在門(mén)極閾值電壓以上，都能完全導(dǎo)通，該過(guò)程中所有JFET無(wú)需相應(yīng)的并聯(lián)二極管參與導(dǎo)通。如果此過(guò)程之后，M₁柵極加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即SiC MOSFET實(shí)現(xiàn)同步整流模式，反向電流可以由SiC MOSFET寄生二極管轉(zhuǎn)入SiC MOSFET的通道，以此來(lái)減少導(dǎo)通壓降。

上述實(shí)施例是取N＝5時(shí)的情況，當(dāng)然N也可為其他正整數(shù)，具體數(shù)字根據(jù)實(shí)際的情況而定。

上述混合高壓器件的電路功率部分通過(guò)碳化硅器件串聯(lián)，并通過(guò)穩(wěn)壓管、二極管、電阻、電容等元件實(shí)現(xiàn)JFET驅(qū)動(dòng)，最終的混合型高壓器件可實(shí)現(xiàn)至少6kV的高耐壓，相對(duì)其他高壓器件，本高壓器件驅(qū)動(dòng)比較簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)損耗較小，導(dǎo)通損耗相對(duì)較小，抗干擾能力強(qiáng)，成本低，其組成的換流器功率密度高，可實(shí)現(xiàn)高頻率、高效率和高功率密度，適用中高壓電力電子變換器應(yīng)用領(lǐng)域。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。