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(diǎn),不但減輕了設(shè)備的體積和重量,同時(shí)也提高了電力電子變換器的性能[1-4]。研究學(xué)者針對(duì)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(shí)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(dá)兆赫茲級(jí)[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]。
SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓及快速性上[12]。驅(qū)動(dòng)電壓一般為-5~+24 V,但開啟電壓只有2.5 V,只有電壓達(dá)到18~20 V 時(shí)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(shí)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(qiáng)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(dòng)回路要求寄生電感足夠小從而減少柵極振蕩。因此設(shè)計(jì)時(shí)選擇+18 V的正向驅(qū)動(dòng)電壓和-3 V的反向關(guān)斷電壓。
該文采用ACPL-336J 光耦隔離實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)和主電路的隔離[16],如圖1 所示,該芯片5 V 供電,控制信號(hào)接7 引腳,8 引腳接地,雙電源供電時(shí),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(dòng)信號(hào)。
圖1 ACPL-336J外圍電路圖
圖2 為驅(qū)動(dòng)芯片IXDN609 的外圍電路圖,1 和8引腳接18 V 電源,驅(qū)動(dòng)信號(hào)從2 引腳輸入,4 和5 引腳接地,6 和7 引腳通過驅(qū)動(dòng)電阻Rd輸出SiC MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)波形。圖3 為驅(qū)動(dòng)電路的完整電路圖。
圖2 IXDN609的外圍電路圖
圖3 驅(qū)動(dòng)電路圖
雙脈沖測(cè)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(dòng)電阻。圖(b)為雙脈沖驅(qū)動(dòng)波形,其中T1為9 μs,T2為2 μs,T3為1 μs。
圖4 雙脈沖測(cè)試波形
在軟件PSpice 中搭建雙脈沖測(cè)試電路的仿真模型,T1時(shí)刻開關(guān)導(dǎo)通,電感電流線性上升。T2時(shí)刻開關(guān)關(guān)斷,電流通過SCS210KE2 續(xù)流。T3時(shí)刻開關(guān)再次導(dǎo)通,SCS210KE2 反向恢復(fù)。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)漏源極電壓為0 V,關(guān)斷時(shí)為電源電壓400 V,仿真結(jié)果如圖(c)和圖(d)所示。
驅(qū)動(dòng)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(shí)間隨著驅(qū)動(dòng)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(dòng)電阻增大而增大。因此選擇5 Ω的驅(qū)動(dòng)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(shí)開關(guān)波形
當(dāng)頻率為50 kHz、100 kHz、200 kHz、400 kHz、500 kHz 時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行仿真,對(duì)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(shí)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(duì)比圖
在直流變換器中使用電壓等級(jí)相同的SCT2080 KE 和IKW08T120,對(duì)比開通和關(guān)斷過程,如圖7 所示,SiC MOSFET 比Si IGBT 開關(guān)時(shí)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(shí),VGS、VDS以及輸出電壓Uo的波形[19]。
圖7 SiC MOSFET與IGBT開關(guān)時(shí)間對(duì)比
圖8 不同占空比時(shí)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(cè)量的負(fù)載電壓Uo的值,從表中測(cè)量結(jié)果可知占空比50%左右時(shí),輸出電壓誤差最小,占空比太大或者太小時(shí),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(duì)比表
該文設(shè)計(jì)了一種用于直流變換器的SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路,利用雙脈沖電路測(cè)試不同驅(qū)動(dòng)電阻、不同頻率對(duì)SiC MOSFET 開關(guān)特性的影響。在直流變換器中對(duì)電壓等級(jí)相同的SiC MOSFET 和Si IGBT 比較開關(guān)時(shí)間的長(zhǎng)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(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)對(duì)本科電力電子實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)具有學(xué)習(xí)指導(dǎo)意義。