柳舟洲

(西安微電機(jī)研究所，西安 710077)

0 引 言

SiC(碳化硅)是一種由硅(Si)和碳(C)構(gòu)成的寬禁帶半導(dǎo)體材料，絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍，帶隙是Si的3倍，被認(rèn)為是一種超越Si 極限的功率器件用材料。SiC材料絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)高，使制做高耐壓SiC MOSFET時(shí)能提高雜質(zhì)濃度和降低漂移層的厚度。因此既能提高SiC MOSFET的器件耐壓又能得到單位面積導(dǎo)通電阻非常低的特性。SiC 材料的高耐壓低導(dǎo)通電阻特性使SiC器件可以采用MOSFET的高頻化器件結(jié)構(gòu)，而不受器件耐壓?jiǎn)栴}的制約，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)“高耐壓”、“低導(dǎo)通電阻”、“高頻”這三個(gè)特性[1]。

SiC MOSFET器件的高頻化意味著驅(qū)動(dòng)電路回路易受寄生參數(shù)的影響，Vgs波形振蕩，Vds過(guò)沖嚴(yán)重。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種新型驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)Vds的過(guò)沖有很好的抑制，但電路參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，但未研究短路保護(hù)問(wèn)題。本文在充分研究SiC MOSFET開關(guān)特性和短路特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。通過(guò)雙脈沖實(shí)驗(yàn)測(cè)試了開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗，并驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)參數(shù)的合理性，最后通過(guò)橋臂直通短路實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了短路保護(hù)電路的有效性。

1 SiC MOSFET的基本特性

1.1 門極驅(qū)動(dòng)電壓

SiC MOSFET的溝道部分的阻抗比Si器件要高，因此門極電壓越高可以得到越低的導(dǎo)通電阻Rdson,其門極電壓與導(dǎo)通電阻的關(guān)系特性和IGBT相似。 SiC MOSFET為了充分發(fā)揮其低導(dǎo)通電阻特性，一般推薦使用Vgson=15～18 V驅(qū)動(dòng)，但Si CMOSFET導(dǎo)通閾值電壓較低，一般在2～3 V，而IGBT在5～7 V，因此，需要負(fù)壓關(guān)斷來(lái)保證不會(huì)被誤觸發(fā)，一般Vgsoff=-4 V左右。

1.2 Vds/Id特性

SiC MOSFET的Vds/Id特性與IGBT不同，不存在開啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通損耗。并且與Si MOSFET相比， SiC MOSFET溫度升高時(shí)，導(dǎo)通電阻的上升率比較低，熱特性優(yōu)異，且高溫下的導(dǎo)通電阻也很低。

1.3 低開關(guān)損耗

在SiC MOSFET開通時(shí)，由于續(xù)流二極管在反向恢復(fù)時(shí)不存在少數(shù)載流子清除的過(guò)程，反向恢復(fù)電流小，且恢復(fù)迅速，不受正向電流和溫度的影響，因此開通損耗小。

Si 材料器件，當(dāng)提高器件耐壓，單位面積的導(dǎo)通電阻相應(yīng)變大。IGBT 一般通過(guò)電導(dǎo)率調(diào)制，向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，降低導(dǎo)通電阻，但是同時(shí)由于少數(shù)載流子的積聚，在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生拖尾電流，從而造成極大的關(guān)斷損耗。SiC 器件漂移層的阻抗比Si 器件低，不需要進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠?qū)崿F(xiàn)低阻抗，不產(chǎn)生拖尾電流，因此關(guān)斷損耗小。

綜上所述，針對(duì)SiC MOSFET的基本特性，對(duì)其驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)提出以下要求：(1)驅(qū)動(dòng)能力滿足要求，要能夠提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率和驅(qū)動(dòng)電流。(2)合理設(shè)置門極驅(qū)動(dòng)電阻和Cgs電容，適當(dāng)增大開關(guān)時(shí)間，減小di/dt和du/dt，降低電路寄生參數(shù)帶來(lái)的橋臂串?dāng)_問(wèn)題。(3)由于SiC MOSFET的導(dǎo)通閾值電壓很低，為保證器件可靠關(guān)斷，必須采取負(fù)壓關(guān)斷來(lái)抑制橋臂串?dāng)_。(4)PCB布局合理，減小驅(qū)動(dòng)回路面積，避免門極電壓振蕩。

2 SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)隔離電路設(shè)計(jì)

高壓功率回路和控制回路之間為了保證低壓控制信號(hào)不被干擾，以及為了滿足安規(guī)的要求，驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)，反饋的故障保護(hù)信號(hào)均需要做隔離處理。常用隔離方式主要有：光耦隔離，脈沖變壓器隔離，光纖隔離。其中光耦隔離主要用于1200 V以下等級(jí)的功率器件，脈沖變壓器較之光耦隔離可以實(shí)現(xiàn)更高的隔離電壓，傳輸延時(shí)小，且不存在老化問(wèn)題。脈沖變壓器隔離要求脈沖占空比小于50%，存在磁飽和的限制，需要較為復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)電路。光纖隔離用于3300 V以上的功率器件，隔離電壓更高。

本設(shè)計(jì)中采用TI公司的高速、高隔離、抗干擾的雙通道數(shù)字光耦I(lǐng)SO7721。溫度范圍達(dá)-55°C到+125°C，供電電源范圍2.25 V到5.5 V，低功耗等優(yōu)良特性。兩路隔離通道，輸入端具有施密特特性，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波整形，提高抗干擾性能。

圖1 信號(hào)隔離電路圖

2.2 驅(qū)動(dòng)放大電路設(shè)計(jì)

PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦I(lǐng)SO7721隔離后，再輸入到高壓側(cè)。由于光耦副邊的電壓供電為-4～0 V，所以通過(guò)三極管Q1將PWM信號(hào)電平變?yōu)?4～+15 V，滿足IXDI609SI的電平要求。

IXDI609SI為專用于MOSFET的門極驅(qū)動(dòng)放大器件，驅(qū)動(dòng)電流最高達(dá)9 A，驅(qū)動(dòng)電壓上升和下降時(shí)間小于25 ns。MOSFET柵極和源極以及源極與負(fù)電源之間加電容，抑制門極驅(qū)動(dòng)波形的振蕩。

圖2 驅(qū)動(dòng)放大電路圖

2.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)IGBT短路特性[4]和SiC MOSFET相似，因此兩者的退飽和特性也類似，但是SiC MOSFET退飽和檢測(cè)電路的檢測(cè)時(shí)間要求更短，通常在1.5 μs至2 μs之間。圖3為SiC MOSFET短路檢測(cè)電路，D2為快恢復(fù)高壓阻斷二極管，C14為充電定時(shí)電容，常用來(lái)作為“Blanking Time”[5]，穩(wěn)壓管D4鉗位充電電壓。

圖3 短路退飽和檢測(cè)電路

當(dāng)SiC MOSFET導(dǎo)通時(shí)，Vgs電壓+15 V，Vds電壓為0V，D2和D3處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)Va點(diǎn)的相對(duì)負(fù)電源電壓為4.7 V，Vb點(diǎn)電壓為R17和R18分壓，為1.6 V，設(shè)置比較器反向端參考電壓為3 V，比較器不動(dòng)作。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，SiC MOSFET發(fā)生退飽和，Vds電壓增大，假設(shè)Vds電壓上升到4.3 V時(shí)比較器翻轉(zhuǎn)，則此時(shí)Va點(diǎn)電壓為9 V,VC14可以根據(jù)以下式(1)計(jì)算得到。

(1)

通過(guò)合理配置R17和R18的電阻值，當(dāng)Vb點(diǎn)電壓大于3.7 V時(shí)，比較器即可翻轉(zhuǎn)，報(bào)出短路故障。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的SiC器件的驅(qū)動(dòng)電路，搭建了雙脈沖平臺(tái)[6]，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，其中Rgon=9 Ω，Rgoff=18 Ω，測(cè)試對(duì)比了Cgs為1 nF和2 nF下管子開關(guān)波形，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)參數(shù)；并且做了橋臂直通短路測(cè)試。下表1為雙脈沖實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表1 雙脈沖實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖4 雙脈沖測(cè)試電路圖

圖5 雙脈沖測(cè)試波形圖

圖6～圖9，對(duì)比了Cgs為1 nF和2 nF時(shí)，第2個(gè)脈沖的開通和關(guān)斷時(shí)間，其開關(guān)時(shí)間分別為Ton=88 ns、Ton=184 ns，Toff=124 ns、Toff=260 ns，可見Cgs=2 nF時(shí)開關(guān)時(shí)間增加為原來(lái)的2倍，與理論符合；由于SiC器件開通閾值電壓低，開關(guān)變慢，Vds變化相對(duì)減緩，振蕩小，對(duì)上管Vgs造成的串?dāng)_振蕩也減小，避免誤觸發(fā)。

圖6 Cgs=1 nF開通波形圖

圖7 Cgs=2 nF開通波形圖

圖8 Cgs=1 nF關(guān)斷波形圖

圖9 Cgs=2 nF關(guān)斷波形圖

圖10～圖13，對(duì)比了Cgs為1 nF和2 nF時(shí)，第2個(gè)脈沖的開關(guān)損耗，Math值為Vds與Id的乘積，通過(guò)計(jì)算Math曲線的面積，其損耗分別為Eon=0.4 mJ、Eon=0.5 mJ，Eoff=0.128 mJ、Eoff=0.15 mJ，可見Cgs=2 nF時(shí)，雖然開關(guān)時(shí)間增大一倍，但Eon和Eoff變化不大，這完全得益于SiC器件開通時(shí)反向恢復(fù)時(shí)間短，關(guān)斷時(shí)無(wú)拖尾電流的良好特性。

圖10 Cgs=1nF的Eon波形圖

圖11 Cgs=2nF的Eon波形圖

圖12 Cgs=1nF的Eoff波形圖

圖13 Cgs=2nF的Eoff波形圖

圖14為半橋電路外接母線電容，充電到540V時(shí)，測(cè)試的橋臂直通短路波形。上管Vgs一直處于開通狀態(tài)，下管發(fā)2 μs的驅(qū)動(dòng)脈沖，可以看出在800 ns的時(shí)候，上管的短路檢測(cè)電路動(dòng)作，報(bào)出短路故障，短路電流Id為240 A。

圖14 短路保護(hù)波形圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文分析闡述了SiC MOSFET主要特性，分析了驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)，并給出了基于分立器件的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明：(1)增大Cgs，適當(dāng)降低開關(guān)速度可以減小門極電壓Vgs的振蕩，不會(huì)顯著增加Eon和Eoff。2、本文所設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路可以快速有效的進(jìn)行橋臂直通短路保護(hù)。