用于直流變換器的SiC MOSFET 驅(qū)動電路設(shè)計

韓 芬，張艷肖，石 浩

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院電氣與信息工程系，陜西西安 710018）

近年來，新型半導(dǎo)體功率器件碳化硅SiC（Silicon Carbide）MOSFET 因其具有寬禁帶、高開關(guān)頻率、高開關(guān)速度、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高等優(yōu)點，不但減輕了設(shè)備的體積和重量，同時也提高了電力電子變換器的性能[1-4]。研究學(xué)者針對SiC MOSFET 的開關(guān)特性，以及新型的電力電子功率器件在工程實際中的應(yīng)用等方面展開了研究[5-8]。

SiC MOSFET 因其材料的特殊性可以工作在高溫、高壓下，工作頻率可高達兆赫茲級[9]，已成為高溫、高壓、高頻、高功率密度電力電子變換器的理想選擇[10]。目前已廣泛應(yīng)用在航天電力系統(tǒng)、新能源汽車、新型智能電網(wǎng)系統(tǒng)中[11]。

1 驅(qū)動電路的設(shè)計

SiC MOSFET 驅(qū)動電路的設(shè)計主要體現(xiàn)在驅(qū)動電壓及快速性上[12]。驅(qū)動電壓一般為-5～+24 V，但開啟電壓只有2.5 V，只有電壓達到18～20 V 時才能使SiC MOSFET 完全開通，高的開通電壓可減小開通損耗[13]。開關(guān)關(guān)斷時必須提供-5～-2 V 的負(fù)壓加快關(guān)斷速度，防止柵極振蕩引起的誤開通，增強抗擾能力[14-15]。柵極有源箝位電路，防止較高的開關(guān)速度導(dǎo)致柵極電阻上的壓降引起開關(guān)誤導(dǎo)通，驅(qū)動回路要求寄生電感足夠小從而減少柵極振蕩。因此設(shè)計時選擇+18 V的正向驅(qū)動電壓和-3 V的反向關(guān)斷電壓。

該文采用ACPL-336J 光耦隔離實現(xiàn)控制信號和主電路的隔離[16]，如圖1 所示，該芯片5 V 供電，控制信號接7 引腳，8 引腳接地，雙電源供電時，12 引腳接正壓18 V，9 和16 引腳VEE2 接負(fù)壓-3 V，13 引腳VE為正負(fù)電源的地。14 引腳通過電容接地，11 引腳通過電阻R2輸出驅(qū)動信號。

圖1 ACPL-336J外圍電路圖

圖2 為驅(qū)動芯片IXDN609 的外圍電路圖，1 和8引腳接18 V 電源，驅(qū)動信號從2 引腳輸入，4 和5 引腳接地，6 和7 引腳通過驅(qū)動電阻Rd輸出SiC MOSFET的柵極驅(qū)動波形。圖3 為驅(qū)動電路的完整電路圖。

圖2 IXDN609的外圍電路圖

圖3 驅(qū)動電路圖

2 雙脈沖測試電路設(shè)計

雙脈沖測試電路[17]如圖4（a）所示，SiC 肖特基二極管SCS210KE2 作為續(xù)流二極管，SCT2080KE 作為功率開關(guān)管，電感L取0.5 mH，Rd為門極驅(qū)動電阻。圖（b）為雙脈沖驅(qū)動波形，其中T1為9 μs，T2為2 μs，T3為1 μs。

圖4 雙脈沖測試波形

在軟件PSpice 中搭建雙脈沖測試電路的仿真模型，T1時刻開關(guān)導(dǎo)通，電感電流線性上升。T2時刻開關(guān)關(guān)斷，電流通過SCS210KE2 續(xù)流。T3時刻開關(guān)再次導(dǎo)通，SCS210KE2 反向恢復(fù)。開關(guān)導(dǎo)通時漏源極電壓為0 V，關(guān)斷時為電源電壓400 V，仿真結(jié)果如圖（c）和圖（d）所示。

3 驅(qū)動電阻對開關(guān)特性的影響

驅(qū)動電阻分別取2 Ω、5 Ω、10 Ω、20 Ω，SiC MOSFET柵源極電壓VGS、漏源極電壓VDS、漏極電流ID以及開關(guān)損耗如圖5 所示，結(jié)果顯示SiC MOSFET 開通和關(guān)斷時間隨著驅(qū)動電阻的增大而增加，但波形震蕩卻隨之減小。開關(guān)損耗為VDS與ID的乘積[18]，從仿真結(jié)果可知開關(guān)損耗隨著驅(qū)動電阻增大而增大。因此選擇5 Ω的驅(qū)動電阻，在損耗小的情況下確保開關(guān)在高頻下安全穩(wěn)定工作。

圖5 不同Rd時開關(guān)波形

4 頻率對開關(guān)特性的影響

當(dāng)頻率為50 kHz、100 kHz、200 kHz、400 kHz、500 kHz 時對驅(qū)動電路進行仿真，對比不同頻率下SiC MOSFET 的開通過程。從圖6 的仿真結(jié)果可知，頻率越高開關(guān)時間越短，但頻率越高串?dāng)_問題越嚴(yán)重，導(dǎo)致開關(guān)誤導(dǎo)通。

圖6 SiC MOSFET開通過程對比圖

5 SiC MOSFET和Si IGBT對比

在直流變換器中使用電壓等級相同的SCT2080 KE 和IKW08T120，對比開通和關(guān)斷過程，如圖7 所示，SiC MOSFET 比Si IGBT 開關(guān)時間短。圖8 所示SiC MOSFET 在直流變換器中的仿真結(jié)果，當(dāng)頻率為100 kHz，輸入電壓為100 V，占空比分別為0.5 和0.9時，VGS、VDS以及輸出電壓Uo的波形[19]。

圖7 SiC MOSFET與IGBT開關(guān)時間對比

圖8 不同占空比時電壓波形

表1 為SiC MOSFET 與Si IGBT 控制的直流變換器，占空比從5%～95%每間隔5%測量的負(fù)載電壓Uo的值，從表中測量結(jié)果可知占空比50%左右時，輸出電壓誤差最小，占空比太大或者太小時，輸出電壓誤差大。SiC MOSFET 比Si IGBT 控制的輸出電壓Uo更接近理想值。

表1 SiC MOSFET和Si IGBT輸出電壓對比表

6 結(jié)論

該文設(shè)計了一種用于直流變換器的SiC MOSFET驅(qū)動電路，利用雙脈沖電路測試不同驅(qū)動電阻、不同頻率對SiC MOSFET 開關(guān)特性的影響。在直流變換器中對電壓等級相同的SiC MOSFET 和Si IGBT 比較開關(guān)時間的長短以及輸出電壓的大小，結(jié)果顯示SiC MOSFET 開關(guān)特性優(yōu)于Si IGBT，高頻下SiC MOSFET的開關(guān)速度更快，負(fù)載電壓誤差更小。該研究為SiC MOSFET 的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同時對本科電力電子實驗與實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)具有學(xué)習(xí)指導(dǎo)意義。