韓 芬，張艷肖

(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)

0 引言

隨著電力電子與信息技術(shù)行業(yè)的快速發(fā)展，要求電力電子裝置體積小、功率密度大、效率高，因此對功率器件的性能要求也越來越高[1-3]。第三代功率半導(dǎo)體器件中碳化硅MOSFET具有開關(guān)速度快、禁帶寬、功耗低、導(dǎo)通電阻小、功率密度大、工作頻率高和工作溫度高等優(yōu)點，因此受到國內(nèi)外研究學(xué)者的青睞[4-6]。該文針對SiC MOSFET設(shè)計了驅(qū)動電路，利用仿真軟件測試SiC MOSFET的開關(guān)特性以及不同驅(qū)動電阻對開關(guān)時間的影響。最后使用 SiC MOSFET和Si IGBT搭建Buck電路，分析對比不同占空比對應(yīng)負(fù)載電壓的大小，以及不同輸入電壓和開關(guān)頻率對應(yīng)的SiC MOSFET 和Si IGBT器件的殼溫。

1 驅(qū)動電路的設(shè)計

SiC MOSFET因其材料的特殊性對驅(qū)動電路的要求較高，通常應(yīng)具備以下功能[7-12]：①工作頻率高；②主電路和控制電路需電氣隔離；③提供足夠的輸出功率和輸出電流；④驅(qū)動電壓高；⑤過壓過流保護(hù)功能；⑥開關(guān)速度快波形震蕩小；⑦有源鉗位電路防止柵極串?dāng)_。

SiC MOSFET選取型號為SCT2080KE的功率器件，額定電壓1200 V，額定電流40 A，通態(tài)等效電阻80 mΩ，可在175oC的高溫下穩(wěn)定運行。閾值電壓低至2.8 V，且該器件具有負(fù)溫度系數(shù)，即隨著工作溫度的升高閾值電壓會隨之下降。柵源極電壓-6～+22 V，只有電壓高達(dá)18～20 V時開關(guān)才能完全導(dǎo)通。圖1為SiC MOSFET的驅(qū)動電路圖，ACPL-336J為SiC MOSFET專用的驅(qū)動隔離芯片，IXDD609SI對驅(qū)動信號進(jìn)行功率放大，控制功率器件的開通和關(guān)斷。Vgs為正向?qū)妷?，Vss為負(fù)向關(guān)斷電壓，Rg為柵極驅(qū)動電阻。為了給驅(qū)動電路的芯片ACPL-336J和IXDD609SI以及產(chǎn)生驅(qū)動信號的單片機供電，設(shè)計如圖2所示的輔助電源電路，220 V/50 Hz市電轉(zhuǎn)換成電壓等級較低的交流電，交流電正半波經(jīng)過二極管D1整流，再通過三端穩(wěn)壓管7818穩(wěn)壓濾波后得到+18 V直流電，給芯片IXDD609SI供電。+18 V的直流電再經(jīng)過7805穩(wěn)壓濾波后得到+5 V的直流電，給單片機和光耦隔離芯片ACPL-336J供電。交流電負(fù)半周經(jīng)過二極管D2整流，再通過三端穩(wěn)壓管7905穩(wěn)壓濾波后得到-5 V直流電，提供功率器件的負(fù)壓關(guān)斷電壓。

圖1 驅(qū)動電路圖

圖2 輔助電源電路圖

驅(qū)動電路實質(zhì)上就是對功率器件的輸入電容充放電的過程，需要足夠大的驅(qū)動電流滿足輸入電容的快速充放電，保證功率器件的快速開通和關(guān)斷[13-15]。光耦驅(qū)動芯片ACPL-336J實現(xiàn)控制弱電電路和主電路強電電路的隔離。如圖3所示ACPL-336J的外圍電路，供電+5 V，驅(qū)動信號經(jīng)電阻R從2引腳VIN+輸入，經(jīng)過內(nèi)部緩沖電路從4引腳輸出，與7引腳相連接入光耦的輸入端，1引腳和8引腳為驅(qū)動信號的數(shù)字地。該芯片雙電源供電時，VCC2接+18 V，VEE2接-5 V，VE為正負(fù)電源的公共地，11引腳為該芯片的信號輸出端，14引腳DESAT實現(xiàn)保護(hù)功能，通過電容和穩(wěn)壓二極管接地，經(jīng)限流電阻接功率器件的漏極，二極管防止電流從主電路倒流入控制電路而毀壞驅(qū)動電路。

圖3 ACPL-336J的外圍電路

芯片IXDD609SI實現(xiàn)對驅(qū)動信號的功率放大功能，外圍電路如圖4所示，1引腳和8引腳VCC接+18 V電源，通過電容C1和C2接地。驅(qū)動信號通過限流電阻從2引腳IN輸入，4引腳和5引腳GND接地，6引腳和7引腳輸出柵極驅(qū)動PWM信號。

圖4 IXDD609SI的外圍電路

SiC MOSFET在實際工作中頻率高，漏極電壓變化率大，柵極會產(chǎn)生串?dāng)_電壓，串?dāng)_尖峰超過柵極閾值電壓，導(dǎo)致開關(guān)誤導(dǎo)通，增加系統(tǒng)損耗降低工作效率，甚至燒毀功率器件[16-17]。如圖5所示柵極驅(qū)動采取開通和關(guān)斷回路置于不同回路中，導(dǎo)通時柵極驅(qū)動電阻為Rg，關(guān)斷時漏極電流通過結(jié)電容Cgd使得二極管VD2導(dǎo)通，此時驅(qū)動電阻減小為Rg/3，從而減小了關(guān)斷損耗。D1和D2為柵極鉗位保護(hù)電路，防止柵極驅(qū)動電壓超過SiC MOSFET的閾值電壓，引起誤導(dǎo)通而導(dǎo)致器件損壞。

圖5 鉗位保護(hù)電路

2 開關(guān)特性

利用如圖6(a)所示的雙脈沖電路測試SiC MOSFE開關(guān)特性[18-20]，圖中V1和V2為SiC MOSFE SCT2080KE，V1處于常閉狀態(tài)，Rg為驅(qū)動電阻，Udc取開關(guān)器件耐壓值的一半。圖6(b)所示的雙脈沖驅(qū)動波形，寬脈沖時電感和V2構(gòu)成回路，漏源極電流快速上升如圖6(c)所示。寬脈沖結(jié)束后V2關(guān)斷，電感通過V1的體二極管續(xù)流。窄脈沖時V2再次開通，V1的體二極管恢復(fù)反向截止?fàn)顟B(tài)。

圖6 雙脈沖測試波形

3 驅(qū)動電阻

驅(qū)動電阻Rg的大小影響開關(guān)速度及開關(guān)損耗。功率器件柵極驅(qū)動電阻由兩部分組成，一部分是內(nèi)部柵極電阻，另外一部分是外部柵極電阻，驅(qū)動電阻的大小即要滿足器件的快速性，又要滿足電流/電壓震蕩小。功率器件開關(guān)過程其實就是對柵極輸入電容的充放電過程。驅(qū)動電阻小充放電時間常數(shù)RC小，開關(guān)速度快，但驅(qū)動電阻太小就會產(chǎn)生較大的電流/電壓變化率，導(dǎo)致器件誤導(dǎo)通或損壞。驅(qū)動電阻大充放電時間常數(shù)大，降低開關(guān)速度，增加開關(guān)損耗，減少電壓/電流震蕩。為了使系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下具有較好的開關(guān)特性，因此選擇合適的柵極驅(qū)動電阻非常重要[19]。圖7為不同的Rg對應(yīng)的開關(guān)波形，從圖中可知驅(qū)動電阻越小，開關(guān)時間越短，開關(guān)速度越快，開關(guān)損耗越小，但震蕩越大。因此選擇5 Ω的柵極驅(qū)動電阻。

圖7 Rg變化時的開關(guān)波形

4 實驗驗證

搭建如圖8(a)所示的Buck電路，V1和V2為SiC MOSFET SCT2080KE或Si IGBT IKW08T120，電壓Udc為100 V，電感L為4 mH，電容C為30 μF，負(fù)載R為1 kΩ。功率器件V2處于常閉狀態(tài)，驅(qū)動信號由單片STM32F407ZG產(chǎn)生頻率為100 kHz，占空比為0.5的PWM。經(jīng)驅(qū)動電路得到-5～+18 V的柵極驅(qū)動信號如圖8(b)所示。

圖8 實驗波形

表1開關(guān)頻率為100 kHz，輸入電壓為100 V，負(fù)載電阻為1 kΩ，不同占空比SCT2080KE和IKW08T120對應(yīng)的負(fù)載電壓，從實驗結(jié)果可知占空比為0.5左右時，負(fù)載電壓誤差最小，SCT2080KE比IKW08T120控制的Buck電路負(fù)載電壓誤差更小。

表1 Buck電路負(fù)載電壓

功率器件的結(jié)溫影響開關(guān)器件的壽命與可靠性[22]。表2所示開關(guān)頻率為100 kHz時測量不同輸入電壓功率器件的殼溫，表3所示輸入電壓為100 V時測量不同開關(guān)頻率功率器件的殼溫。從結(jié)果可知SCT2080KE的殼溫低于IKW08T120的殼溫，表明SCT2080KE比IKW08T120的開關(guān)損耗小。

表2 功率器件的殼溫

表3 功率器件的殼溫

5 結(jié)論

該文設(shè)計了一種適合SCT2080KE的驅(qū)動電路，利用仿真軟件測試功率器件的開關(guān)特性以及驅(qū)動電阻對開關(guān)特性的影響。最后搭建了Buck實驗電路，分別用SCT2080KE和IKW08T120對電路的性能進(jìn)行測試，對比不同占空比的負(fù)載電壓大小，以及不同輸入電壓和開關(guān)頻率SCT2080KE和IKW08T120的殼溫。實驗結(jié)果表明SCT2080KE比IKW08T120輸出負(fù)載電壓更接近理想值，殼溫更低，開關(guān)損耗更小。