一種SiCMOSFET驅(qū)動保護電路的設(shè)計

劉峰兵

摘要：相比于同等級的Si MOSFET，SiC MOSFET因具有更高速的開關(guān)特性和更小的導(dǎo)通損耗而具有極大地應(yīng)用優(yōu)勢。但是，SiC MOSFET更小的門極電容和更小的門極耐壓范也使得其在應(yīng)用時提出了更大的挑戰(zhàn)。本文在分別對SiC MOSFET的開通關(guān)斷過程進行分析之后得出其安全可靠驅(qū)動的要求，研究適用于SiC MOSFET的驅(qū)動保護電路，進行LTspice仿真驗證，分析了施加不同外部電容和不同驅(qū)動電阻對SiC MOSFET開關(guān)特性的影響，同時對保護電路的功能進行了PSpice仿真驗證。

關(guān)鍵詞：SiC MOSFET；驅(qū)動電路；過流保護

SiC MOSFET 作為新一代的寬禁帶半導(dǎo)體器件，由于其高耐壓、高工作溫度、高開關(guān)頻率和低導(dǎo)通阻值所以具有更優(yōu)越的性能。高開關(guān)頻率也提高了功率轉(zhuǎn)換器的功率密度[1]。對比其相同等級的高壓Si MOSFET，SiC MOSFET在高頻區(qū)域工作時產(chǎn)生更低的開關(guān)損耗。為了能夠充分地利用SiC MOSFET的高頻特性，一種可靠穩(wěn)定的驅(qū)動保護電路的設(shè)計是十分必要的。

本文在分別分析SiC MOSFET的開通關(guān)斷過程之后得到其安全可靠驅(qū)動的要求，在已有的成熟電路拓撲結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上進行改進，研究適用于SiC MOSFET的驅(qū)動保護電路，分析了施加不同外部電容和不同驅(qū)動電阻對SiC MOSFET開關(guān)特性的影響，同時對保護電路的功能進行了仿真驗證。

1 SiC MOSFET特性及驅(qū)動要求

設(shè)計驅(qū)動電路時，主要考慮SiC MOSFET 的開通及關(guān)斷兩個過程。因為SiC MOSFET的開啟電壓低且內(nèi)部具有較大的門極電阻，因此由高開關(guān)頻率所引起的高dv/dt會對應(yīng)用于半橋結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET會造成嚴重的橋臂直通的串擾問題。在關(guān)斷瞬間，由于負向最大耐壓較小，串擾問題會造成SiC MOSFET門極電壓超過其負向耐壓最大值而損壞。

基于以上SiC MOSFET的開通關(guān)斷特性的分析得出其驅(qū)動電路的要求主要有以下幾個方面[2]：第一、觸發(fā)脈沖應(yīng)該有比較快的上升速度和下降速度，脈沖沿要陡；第二、驅(qū)動回路阻抗不應(yīng)太大，開通時能夠?qū)艠O電容迅速充電，關(guān)斷時柵極電容可以迅速放電；第三、驅(qū)動電路需要提供足夠大的電流；第四、需要提供足夠大的驅(qū)動電壓以降低SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗；第五、關(guān)斷時驅(qū)動可以提供負壓用來防止誤導(dǎo)通，增強抗干擾能力；第六、驅(qū)動電路應(yīng)盡量靠近SiC MOSFET以降低驅(qū)動回路寄生電感。

2 驅(qū)動電路設(shè)計

由于SiC MOSFET的阻斷電壓大于1kV，因此需要使用隔離型的驅(qū)動器。為了實現(xiàn)控制信號與主功率回路之間的隔離，需要采用隔離驅(qū)動。本次驅(qū)動電路信號的隔離采用光纖HFBR2522實現(xiàn)，光纖隔離電壓可以達到5kV以上，完全可以滿足隔離要求。而電源的設(shè)計使用了金升陽模塊來為此次驅(qū)動電路的供電。

本次設(shè)計中的驅(qū)動電路使用驅(qū)動芯片IXDN609SI來搭建，該款芯片的供電電壓范圍寬，可以從4.5V到35V之間選擇，并且峰值驅(qū)動電流最大可以到達9A，其驅(qū)動能力完全達到本次使用的SiC MOSFET的要求。為了防止柵極電壓的波動過高或過低，在驅(qū)動的輸出級增加了由D2和D3組成的限幅電路，同時配置了由D4和D5組成的柵極有源箝位電路。驅(qū)動電路如圖1所示。

3 保護電路設(shè)計

相比于同等級的IGBT，由于本身更小的芯片面積和更高的電流密度，SiC MOSFET可以承受的短路時間更短。根據(jù)文獻[3]，對于1200V/33A SiC MOSFET在母線電壓為600V下發(fā)生硬短路故障時，器件失效大約發(fā)生在故障出現(xiàn)的13us之后。但是器件在發(fā)生短路故障之后的5μs就產(chǎn)生明顯的漏電流，這說明SiC MOSFET已經(jīng)發(fā)生了短路故障。

本次保護電路采用分流器檢測的方法，檢測電路主要由高速比較器LM319為核心，當檢測值大于設(shè)定的閾值電壓時比較器翻轉(zhuǎn)，將控制信號封鎖，關(guān)斷SiC MOSFET。本文采用分流器檢測和退飽和檢測相結(jié)合的方式。當SiC MOSFET正常開通關(guān)斷時，比較器輸出為低電平狀態(tài)。而在發(fā)生過流故障時，比較器輸入端電壓升高，當大于檢測閾值電壓時比較器翻轉(zhuǎn)輸出高電平。此時將PWM輸入信號拉低，使SiC MOSFET始終處于關(guān)斷控制信號之下，直到排除故障。檢測保護電路如圖2所示。

利用PSpice軟件模擬雙脈沖實驗對過流保護電路進行仿真。圖3為退飽和檢測仿真曲線，母線電壓VDS=100V，負載電感L=30uH。MOS管在t=5μs時導(dǎo)通，ID以一定斜率開始上升，當t=10μs 時，VDS大于9.6V，檢測電平翻轉(zhuǎn)，由低電平變?yōu)楦唠娖健D4為分流器檢測仿真曲線，分流器阻值為5毫歐，差分放大比例為50：1，設(shè)定過流閾值為12A。MOS管在t=5μs時導(dǎo)通，當t=12μs時，檢測輸入信號大于閾值，檢測電平翻轉(zhuǎn)，由低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

4 驅(qū)動電路仿真驗證

為了驗證本次設(shè)計的驅(qū)動保護電路的性能，將本次設(shè)計的驅(qū)動電路通過PSpice仿真驗證，母線電壓VDS=600V，負載電感L=500uH。將上半橋的SiC MOSFET加負壓關(guān)斷，僅僅利用上管的續(xù)流二極管，對下管的柵極施加雙脈沖信號獲取SiC MOSFET在開通關(guān)斷過程中的主要參數(shù)。仿真驗證如圖4所示，開通時驅(qū)動電阻RG為10Ω并且在柵源極并聯(lián)2.2nF電容，關(guān)斷時的驅(qū)動電阻RG為5Ω和在柵源極并聯(lián)2.2nF電容。

通過分析開關(guān)波形得出驅(qū)動電阻越小，SiC MOSFET開關(guān)速度越快。但是驅(qū)動電阻越小柵極電壓VGS，漏源極電壓VDS和源極電流ID的振蕩越明顯，而且振蕩幅度越大。為了降低振蕩，優(yōu)化開關(guān)波形，可以在柵源極間并聯(lián)一個2.2nF電容適當降低開關(guān)速度。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種 SiC MOSFET 專用驅(qū)動電路，并研究器件的過流保護電路，通過PSpice仿真可知該電路對器件的保護非常有效。并通過仿真實驗選擇選取適當?shù)尿?qū)動電阻及外接電容。

參考文獻：

[1] Van Wyk J D.Power electronics technology at the dawn of a new centurypast achievements and future expectaions [C]Proceedings of the third International Power Electroni –cs and Motion Control Conference. Beijing， China，2000：920.

[2]D. Othman， M. Berkani， S. Lefebvre， A. Ibrahim， Z. Khatir， and A. Bouzourene， “Comparison study on performances and robustness between SiC MOSFET & JFET devices–Abilities for aeronautics application，” Eur. Symp. Reliab. Electron Devices， Failure Phys. Anal.， vol. 52， no. 9， pp. 1859–1964， Sep. 2012.

[3]Design and Performance Evaluation of Overcurrent Protection Schemes for Silicon Carbide （SiC） Power MOSFETs.