高压大功率SiC MOSFETs短路保护方法

碳化硅(SiC)MOSFETs短路承受能力弱,研究其短路保护方法成为保障电力电子设备安全运行的重要课题。现有方法大多围绕低压小功率SiC MOSFETs,然而随着电压和功率等级的提升,器件特性有所差异,直接套用以往设计难以实现高压大功率SiC MOSFETs的快速、可靠保护。该文首先详细研究了几种常用短路检测方法;其次基于高压大功率SiC MOSFETs器件特性,深入对比分析了不同短路检测方法的适用性,提出一种阻容式漏源极电压检测和栅极电荷检测相结合的短路保护方法;最后搭建了实验平台验证所提方法的可行性。结果表明,提出的方法在硬开关短路故障(hard switching fault,HSF)下,保护响应时间缩短了1.4μs,短路能量降低了62.5%;且能可靠识别负载短路故障(fault under load,FUL)。

利用非线性损耗提升全固态单频激光器输出功率研究进展(特邀)

全固态单频连续波激光器因其噪声低、线宽窄、光束质量好、功率稳定性高等优点已经被广泛应用于产生非经典光场、冷原子物理研究、引力波探测等诸多领域。随着科学技术的不断发展,传统的全固态激光器的输出功率已经不能满足前沿领域的需求,因此亟需在保持全固态激光器整体性能的同时进一步提升激光器的输出功率。为此首先需要更高的泵浦功率,而这将使激光器内部增益提高,在腔内损耗不变的情况下,原非振荡模式也将满足起振条件,从而使激光器在跳模或多模状态下运转。此外,激光晶体的热效应和损伤阈值也限制了输出功率的提高。本文介绍了一种利用非线性损耗大幅度提升全固态单频连续波激光器的输出功率的技术和方法。通过在谐振腔中引入非线性损耗,使主模经受的非线性损耗是次模的一半。在模式竞争的作用下,谐振腔内的模式被更进一步的选择,从而允许全固态单频激光器在更高的增益下保持单纵模运转。通过在谐振腔内插入多块增益晶体可以有效缓解由于激光增益晶体热效应的限制,从而实现更高功率的单频激光输出。目前高功率全固态连续波激光器的输出功率已经达到了一百瓦的量级,且还在进一步提高。通过在谐振腔内引入非线性损耗,全固态单频连续波激光器的整体性能在得以保障和提高的同时,其应用范围也得到了进一步的推广。

高功率掺镱光纤激光器的非线性效应和研究进展

高功率掺镱光纤激光器在精密加工、国防、科研等领域有重要的应用价值,然而随着功率的提升,光纤内部的非线性效应开始凸显。在此,详细分析了受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)、非线性折射率、横模不稳定(TMI)等非线性效应的产生过程,并提出抑制方法。另外,从光纤振荡器和主振荡功率放大器两个角度,简述了近几年学者们在抑制非线性效应基础上不断提升掺镱光纤激光器输出功率的研究进展。目前,全光纤结构的掺镱振荡器输出功率达到8kW;单纤主振荡功率放大器激光系统输出功率已突破20kW。

计及光热发电非线性运行特性的区域电网功率调节能力刻画方法

随着源网荷储一体化建设推进和多能互补系统发展,光热发电凭借其发电连续性、灵活性等优点,在多能互补系统中发挥的作用日益增大。准确描述光热电站运行特性并刻画含多能互补系统区域电网功率调节能力,对于实现电力资源优化配置有着十分重要的意义。然而,现有含光热电站经济调度模型,尚未计及储热系统充、放热过程能量损失成本,也缺乏对含光热电站区域电网的功率调节能力研究。为此,提出一种计及光热发电非线性运行特性的区域电网功率调节能力刻画方法。首先,考虑光热电站运行过程非线性约束及储热系统能量损失成本,构建计及光热发电非线性运行特性的电力系统经济调度模型。进一步,为解决光热发电非线性运行特性影响电网功率调节能力刻画这一问题,提出含光热电站电力系统经济调度模型线性化转换方法。在此基础上,基于多参数规划理论和K-means聚类算法,提出计及光热发电非线性运行特性的区域电网多时段功率调节能力刻画方法,实现联络线传输功率可行域的解耦计算,进而表征区域电网功率调节能力。最后,选取IEEE 30节点系统以及国内某省实际电力系统作为算例系统进行分析,验证所提方法的准确性及有效性。

空间辐射环境下SiC功率MOSFET栅氧长期可靠性研究

利用等效1 MeV中子和γ射线对1200 V SiC功率MOSFET进行辐射,研究了电离损伤和位移损伤对器件的影响,并分析了辐射后器件栅氧长期可靠性。结果表明:中子辐射后器件导通电阻发生明显退化,与辐射引入近界面缺陷降低载流子寿命和载流子迁移率有关。时间依赖的介质击穿(TDDB)结果表明,栅泄漏电流呈现先增加后降低趋势,与空穴捕获和电子捕获效应有关。中子辐射后栅漏电演化形式未改变,但氧化层击穿时间增加,这是中子辐射缺陷增加了Fowler-Nordheim(FN)隧穿势垒的缘故。总剂量辐射在器件氧化层内引入陷阱电荷,使得器件阈值电压负向漂移。随后的TDDB测试表明,与中子辐射一致,总剂量辐射未改变栅漏电演化形式,但氧化层击穿时间提前。这是总剂量辐射在氧化层内引入额外空穴陷阱和中性电子陷阱的缘故。

功率MOSFET抗单粒子加固技术研究

针对功率MOSFET的单粒子效应(SEE)开展了工艺加固技术研究,在单粒子烧毁(SEB)加固方面采用优化的体区掺杂工艺,有效降低了寄生双极晶体管(BJT)增益,抑制了单粒子辐照下的电流正反馈机制。在单粒子栅穿(SEGR)加固方面,通过形成缓变掺杂的外延缓冲层来降低纵向电场梯度,减弱了非平衡载流子在栅敏感区的累积,并开发了台阶栅介质结构提升栅敏感区的临界场强。实验结果表明,经过加固的功率MOSFET在满额漏源工作电压和15 V栅源负偏电压的偏置条件下,单粒子烧毁和栅穿LET值大于75 MeV·cm^(2)/mg。在相同辐照条件下,加固器件的栅源负偏电压达到15~17 V,较加固前的7~10 V有显著提升。

用于非线性超声检测的高频高功率E类功率放大器研究

超声波与金属的微小缺陷相互作用可产生非线性效应,由于非线性效应信号弱,在微小缺陷检测时必须采用高频高功率的发射装置来增强非线性效应信号强度。为此研究了一款高频大功率的超声驱动放大电路,该放大电路选用开关速度快、耐高压的氮化镓晶体管设计高效率的零电压开关(ZVS)型E类功率放大器,设计开关管保护电路、输入输出匹配电路以及可独立控制导通和关断驱动强度的栅极驱动电路,确保了高频高压大功率信号的高效输出。经测试,该E类功放驱动电路在工作频率为5 MHz,供电电压100 V时瞬时输出功率为223.9 W,峰值电压为150 V,直流转换效率为76.7%,表明该驱动电路可以用做高频大功率超声发射驱动。

基于LESO的DFIG-GSC反馈线性化直接功率控制

为了提高双馈风力发电机网侧变换器(DFIG-GSC)这个强耦合非线性系统的性能,提出了一种反馈线性化直接功率控制策略。首先在αβ坐标系下建立以有功功率、无功功率为变量的DFIG-GSC的数学模型,针对模型中的强耦合项采用反馈线性化进行解耦,得到其线性模型,再结合滑模控制理论设计出功率内环的控制律。由于功率内环控制律中未建模部分和不确定因素会对控制效果产生影响,采用线性扩张状态观测器对其进行观测并对其控制量进行修正。同时电压外环采用滑模控制来提高直流侧电压的响应速度。最后搭建仿真模型与传统PI控制以及直接功率控制进行比较,验证了所提控制策略的合理性和有效性。

基于LESO的MMC-RPC反馈线性化直接功率控制

模块化多电平铁路功率调节器作为一个耦合的多变量非线性系统,传统PI控制的直接功率控制难以实现对系统的精确解耦.本文提出了一种基于线性扩张状态观测器的反馈线性化直接功率控制方法,根据Lie导数构建了模块化多电平铁路功率调节器(MMC-RPC)两输入/两输出功率仿射模型,设计了精确反馈线性化功率解耦控制器.针对不确定因素等扰动对精确反馈线性化控制效果的影响,设计了线性扩张状态观测器对扰动进行观测和补偿,实现了功率的精确跟踪控制.最后,通过MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型对所提控制方法进行了验证.

不对称级联九电平逆变器线性功率均衡控制策略

三单元不对称级联逆变器通常采用传统混合调制策略控制,但该策略下逆变器存在单元间输出功率不均衡以及低压单元开关损耗分配不均的问题,同时由于高低压单元之间输出电压极性不同时会出现电流倒灌,导致逆变器直流侧电压难以维持稳定,影响输出电压波形质量。针对上述问题,该文提出基于功率元重组的混合功率均衡调制策略,该策略对逆变器高压单元采用低频方波调制,在控制单元输出功率大小的同时可以降低开关损耗,而对于低压单元,所提策略结合载波移幅调制和载波移相调制策略对其功率元进行分析重组,使逆变器在输出高质量电压波形的同时实现单元间输出功率的线性均衡和低压单元间开关损耗的均匀分配。最后进行仿真和实验验证。

考虑阈值电压漂移的SiC MOSFET功率循环寿命修正技术

在SiC MOSFET的功率循环测试(PCT)中,饱和压降主要表征键合线的老化状态,其值由导通电阻决定。SiC MOSFET的阈值电压漂移会在导通电阻中引入非键合线老化导致的芯片电阻增量,进而影响寿命判断。为了准确判定键合线失效,设计和搭建阈值电压漂移在线监测平台,并结合实测阈值电压漂移数据解耦出芯片电阻增量,进而对实测饱和压降进行补偿,实现对SiC MOSFET功率循环寿命的修正。结果表明,同一器件寿命修正前后的结果基本一致,阈值电压漂移主要影响PCT前期的饱和压降,对最终寿命判定结果没有影响。该研究成果可为SiC MOSFET封装可靠性测试提供参考。

基于霍尔效应的微波功率线性测量技术研究

为了提高微波功率测量的准确性,文中将平面电磁波作用于霍尔器件,用解析方法得到了霍尔电压的直流分量与微波功率密度之间的线性关系。基于同轴线设计了通过式与吸收式两种型号的微波功率探测器。以同轴通过式为例,在0.1 mW~50.0 mW的微波功率测量范围内,探测器的线性度达98.28%,瞬态响应时间为3μs~6μs,频率响应范围为1 GHz~10 GHz。实验结果与理论分析结果一致,该新型探测器具有线性度好和响应速度快的特点,有望得到更为广泛的应用。

2.4 GHz GaAs HBT高线性度功率放大器设计

为了满足Wi-Fi 6射频前端对高线性度、高发射功率的需求,基于GaAs HBT工艺设计工作于2.4~2.5 GHz的功率放大器.利用有源自适应偏置、二次谐波阻抗控制和多级放大器失真互补实现所设计放大器的高线性输出功率,通过键合金线的高品质因子寄生电感降低输出匹配的插损,并将直流与射频功率检测集成.测试结果表明,所设计放大器的小信号增益为30.6~30.7 dB,输入输出回波损耗均小于-10 dB,输出1 dB压缩功率为29.2 dBm,对应功率附加效率为26.4%.在802.11ax标准、MCS7调制策略、40 MHz带宽的测试信号下,当误差矢量幅度小于-30 dB时,所设计放大器的最大输出功率为24.1 dBm.在MCS9调制策略下,当误差矢量幅度小于-35 dB时,所设计放大器的最大输出功率为23.6 dBm;在MCS11调制策略下,当误差矢量幅度小于-40 dB时,所设计放大器的最大输出功率为22.4 dBm,对应最大功率附加效率为10.2%.

一种改善IMD3的高线性射频功率放大器

基于2μm砷化镓异质结双极型晶体管(GaAs HBT)工艺成功设计出了一款工作在2.4 GHz的高线性、高效率的射频功率放大器(RF PA)。针对非线性因素三阶交调失真(IMD3)对电路造成的影响,采用了一种两级功放电路结构,通过对两级偏置中的旁路电路进行调节,得到了两个反相可互消的三阶交调分量,有效地改善了功放非线性指标IMD3的值。对芯片进行测试,所得结果表明:在连续单音信号测试下,功放输出的1 dB压缩点功率(P1dB)为33.3 dBm,功率附加效率(PAE)为58%@33.3 dBm,增益为30.8 dB。在音距为1 MHz的双音信号测试下,三阶交调失真低于-50 dBc@20 dBm,最大三阶输出截断点(OIP3)为47 dBm@23.8 dBm。

一款基于非线性模型设计的高性能GaN功率放大载片

采用南京电子器件研究所研制的0.35μm栅长、60 V高压AlGaN/GaN HEMT工艺,利用可缩放大信号模型仿真设计了一款工作在S波段的高性能功率放大载片。该功率放大载片由单个总栅宽为36.4 mm的GaN管芯采用混合集成内匹配方案设计而成,漏极工作电压为60 V,工作频带为2.7~3.5 GHz。测试结果表明,在环境温度300 K,脉宽250μs、占空比15%的脉冲测试条件下,功率放大载片在工作频带内最大饱和输出功率为354.8 W,最大功率附加效率为61%,功率增益大于14.7 dB,显示了GaN器件的高工作电压、高功率密度、宽工作频带等特性。

应用于WiFi6的新型高线性度功率放大器设计

针对WiFi 6的设备需求,设计了一款工作在5.15 GHz~5.85 GHz的高线性度砷化镓异质结双极型晶体管射频功率放大器。为了保证大信号和高温下功率管静态工作点的稳定性,采用了一种新型有源自适应偏置电路。对射频功率检测电路进行了设计和改进,有效降低了射频系统的功耗。针对各次谐波分量产生的影响,对输出匹配网络进行了优化。仿真结果表明:该射频功率放大器芯片小信号增益达到了32.6 dB;在中心频率5.5 GHz时1 dB压缩点功率为30.4 dBm,功率附加效率超过27.9%;输出功率为26 dBm时,三阶交调失真低于-40 dBc。实测数据表明:小信号增益大于31.4 dB;5.5 GHz时1 dB压缩点功率为29.06 dBm;输出功率为26 dBm时,三阶交调失真低于-30 dBc。当输出功率为20 dBm时,二次三次谐波抑制到-30 dBc和-45 dBc。

功率MOSFET泄漏电流测试研究

功率MOSFET属于电压控制型器件,在电路中主要起到电子开关的作用。栅源施加开启电压,器件开启功率信号通过,如果器件栅源和漏源阻断时泄漏电流较大,会导致产生器件自热相应,从而降低器件可靠性。由于功率MOSFET由于自身结构和工艺本身存在寄生电容,寄生电容在充电时会出现充电电流,该充电电流会对泄露电流的测试产生严重的干扰。本文通过原理分析和实际测试模拟,结果表明泄漏电流的测试脉宽对泄漏电流的测试有着直接的影响,特别是对于芯片面积较大或寄生电容较大的功率MOSFET。

射频功率放大器的线性化方法研究

射频功率放大器的线性化的方法关键技术在于在现代无线通信系统中的实现射频功率放大器的线性化,不断提升的通信频率和带宽,射频功率放大器所遭遇的非线性失真问题这些问题对系统性能的影响日益显著,针对射频功率放大器的本研究探讨的主题包括多种线性化技术,在内的技术手段包括预失真、后失真与反馈控制,比较分析被进行涉及一系列方法,制订了为各类应用场景设计的优化方案,研究者们指出,采用线性化技术需要合适的选择与组合射频功率放大器的线性性能可通过采用此方法显著提升,进而优化整个无线通信系统的性能。

线性功率MOSFET分析及应用

本文分析了线性功率MOSFET的结构及其性能,并对其在线性模式下的应用进行了介绍。

线性功率MOSFET分析及应用

本文分析了线性功率MOSFET的结构及其性能,并对其在线性模式下的应用进行了介绍。