SiC BJT的單電源基極驅(qū)動電路研究*

張　英，王耀洲，陳乃銘，徐華娟，秦海鴻

（江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點實驗室，南京航空航天大學(xué)，南京211100）

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SiC BJT的單電源基極驅(qū)動電路研究*

張英，王耀洲，陳乃銘，徐華娟，秦海鴻*

（江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點實驗室，南京航空航天大學(xué)，南京211100）

摘要：探究SiC BJT基極驅(qū)動電路拓?fù)?，對SiC BJT基極驅(qū)動電路損耗的構(gòu)成進(jìn)行了分析和對比，提出單基極電阻和阻容網(wǎng)絡(luò)兩種單電源基極驅(qū)動方案，對開關(guān)速度進(jìn)行了對比。針對單電源阻容網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動方案，對其關(guān)鍵電路參數(shù)進(jìn)行了分析，并針對一款SiC BJT器件給出了優(yōu)化的參數(shù)組合設(shè)計結(jié)果，實驗測試得出驅(qū)動1 200 V/6 A SiC BJT驅(qū)動損耗為3.85 W，該驅(qū)動電路優(yōu)勢明顯，并具有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；碳化硅雙極型晶體管；定量實驗；單電源驅(qū)動；阻容網(wǎng)絡(luò)；低損耗

項目來源：國家創(chuàng)新訓(xùn)練項目（20141028701703）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（NZ2013307）；南京航空航天大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金（理工類）項目（NS2015039）

基于硅Si半導(dǎo)體材料的功率器件的性能逐漸接近材料理論極限，難以通過技術(shù)革新和工藝改進(jìn)獲得器件性能的大幅度提升［1］，以碳化硅SiC（Sili?con Carbide）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料應(yīng)運(yùn)而生［2］。硅基BJT（Bipolar Junction Transistor）由于電流增益較低導(dǎo)致驅(qū)動損耗很大，尤其是在較高額定電流情況下更是如此。開關(guān)工作時會帶來較高開關(guān)損耗和較大的器件動態(tài)阻抗，這兩方面因素會影響器件的可靠性，且硅基雙極型晶體管存在嚴(yán)重的二次擊穿問題。而SiC BJT不存在這樣的問題，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍，可產(chǎn)生更大的電流增益，以及更低的驅(qū)動損耗，大大提高BJT的效率。而且碳化硅的擊穿電場強(qiáng)度是硅的10倍，因此器件不易受到熱擊穿影響，可靠性大大提高［3］。在目前已經(jīng)商業(yè)化的SiC功率器件中，SiC MOSFET存在柵極氧化層可靠性問題，SiC JFET存在溫度系數(shù)偏大等問題［4］，SiC BJT不存在這些問題，具有良好的應(yīng)用前景。然而，SiC BJT比SiC MOSFET、SiC JFET有更大的驅(qū)動損耗，驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)對驅(qū)動損耗、開關(guān)速度、開關(guān)損耗有較大影響，因此驅(qū)動電路設(shè)計是SiC BJT能夠成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1　SiC BJT基極驅(qū)動功率損耗

在設(shè)計SiC BJT的基極驅(qū)動電路時，通?？紤]3個部分的功率損耗［5］：

（1）第1部分功率損耗PBE與基-射極間壓降有關(guān)。

式中，IB（AV）表示平均基極電流，VBE（SAT）表示基-射極間的壓降。

（2）第2部分功率損耗PSB是SiC BJT每次開通瞬間對基極電容充電引起的驅(qū)動功耗。

式中，QB表示基極電容電荷值，fs表示開關(guān)頻率。

由于SiC BJT的基-射極的極間電容非常小，因此這部分功耗非常小。

（3）第3部分損耗在電源電壓產(chǎn)生基極電流iB的過程中產(chǎn)生。圖1所示SiC BJT單電源基極驅(qū)動電路示意圖，該電路中開關(guān)與電源相連，SiC BJT與開關(guān)之間通過一個基極電阻相連。通過調(diào)節(jié)基極電阻RB，可以獲得所需的基極電流，顯然這種方法產(chǎn)生的功耗包括左側(cè)圖騰柱結(jié)構(gòu)的電阻RDRV上的功耗和基極電阻RB上的功耗，計為：

式中，IB（RMS）表示基極電流的均方根值。

圖1　SiC BJT單電源單基極電阻驅(qū)動電路

通過對這3部分功耗的分析，可見由基極電容充電造成的功耗PSB只取決于開關(guān)頻率、基極電容和基-射極間的壓降，不受基極電流和電源電壓大小的影響，即不受基極驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)的影響。而另外兩部分功耗PBE和PR則受到基極電流的影響。對于PBE來說，在負(fù)載電流確定以后，所需的基極電流值也就確定了，而在不同的電源電壓下，可以通過調(diào)整基極電阻來得到需要的基極電流。因此，PBE在不同電壓下也可以認(rèn)為是恒定的。SiC BJT基極驅(qū)動電路的功率損耗中，PBE占主要部分且與驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計關(guān)系密切。所以在設(shè)計基極驅(qū)動中，必須要設(shè)法降低這部分功耗來獲得最高的效率。

2　單電源基極驅(qū)動

SiC BJT的單電源基極驅(qū)動電路由單一電源供電，包括兩種類型：一種僅使用一個基極驅(qū)動電阻，如圖1所示；另一種在第一種的基礎(chǔ)上加入加速電容與基極電阻并聯(lián)來提高開關(guān)速度，如圖2所示。

圖2　SiC BJT單電源阻-容驅(qū)動電路

以下針對1.2 kV/6A SiC BJT給出兩種基本驅(qū)動電路的測試對比。表1給出SiC BJT的基本電氣性能參數(shù)。理論上，基極電流為250 mA即能驅(qū)動額定電流為6 A的SiC BJT，實驗中為了確保SiC BJT具有較低的導(dǎo)通壓降，基極電流設(shè)定為320 mA。

表1　不同溫度下SiC BJT基本電氣性能

2.1單基極電阻

如圖1所示，為單電源單基極電阻驅(qū)動電路。基極電流設(shè)置為320 mA，基極和發(fā)射極間的壓降約為3 V［6］，平均基極電流IB（AV）按通過占空比為0.5的基極電流計算，RDRV取為0.7 Ω，開關(guān)頻率設(shè)置為100 kHz［7］。由前面分析可以得到各部分的功率損耗，表2給出了不同電源電壓下的功耗和所需的基極電阻阻值的計算結(jié)果。由表2可見，5種情況中電源電壓為5 V、基極電阻為5.6 Ω時的驅(qū)動功耗最?。?］。

表2　不同電壓下，單電源單基極電阻驅(qū)動SiC BJT驅(qū)動損耗

圖3給出采用雙脈沖電路測得的開通和關(guān)斷波形，可以看到開關(guān)時間大于手冊上給出的典型值，開通時間tON約為350 ns，關(guān)斷時間tOFF大于100 ns。造成開關(guān)速度較慢的原因是基極電容充放電速度較慢，特別是在開通過程中，RC時間常數(shù)較大，且電路板存在的寄生電感，導(dǎo)致基極電容充電時間變長。

圖3　采用單基極驅(qū)動電阻時SiC BJT的開關(guān)波形

2.2電阻-電容網(wǎng)絡(luò)

如圖2所示，采用加速電容與基極電容并聯(lián)來提高開關(guān)速率。在SiC BJT開通瞬間，基極電容充電到（VCC-VBE（SAT）），從而為基極電流提供一個低阻抗路徑，使基極電流迅速上升，加快基極電容的充電速度。在SiC BJT關(guān)斷瞬間，電容CB會在基-射極間提供負(fù)壓來加快關(guān)斷過程。但是，在SiC BJT關(guān)斷之后，電容CB需要一定的時間來放電，從而限制了電源電壓的占空比，并且由于電路中存在寄生電感，會與電容形成LC諧振，這些都是這種電路不足的地方。

增加電容CB也會造成額外的功率損耗，每次開通時VCC為CB充電，關(guān)斷過程中，其儲存的能量會在驅(qū)動電阻RDRV，阻尼電阻RDP和基極-發(fā)射極結(jié)中釋放。這部分功耗為：

加速電容的取值通過需要的基極電流尖峰值來確定。通過PCB的計算和表2得到的結(jié)果，可以得到基極驅(qū)動電路總損耗。表3中給出不同電源電壓下的功率損耗。和表2中結(jié)果相似，在電源電壓為5 V時，SiC BJT基極驅(qū)動電路功耗最低。

在單基極電阻驅(qū)動電路基礎(chǔ)上，在基極電阻兩端并聯(lián)了一個68 nF的電容。對開關(guān)特性進(jìn)行了測試。圖4（a）為開通過程中的VCE和IC，基極電流尖峰達(dá)到了1.3 A，開通時間降低為110 ns左右。圖4（b）為關(guān)斷過程中的VCE和IC，關(guān)斷時間縮短為45 ns。

表3　不同電壓下，使用單電源阻容網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動SiC BJT的驅(qū)動損耗

圖4　應(yīng)用阻容網(wǎng)絡(luò)時SiC BJT的開關(guān)波形

3　SiC BJT單電源基極驅(qū)動電路設(shè)計

3.1單電源驅(qū)動電路

圖5給出SiC SJT的單電源驅(qū)動電路原理圖，基極驅(qū)動信號通過光耦隔離進(jìn)入基極驅(qū)動集成芯片IXDN614來控制基極電壓的高低。

電路構(gòu)成如下：

（1）光耦隔離將驅(qū)動信號與SiC BJT的基-射電壓隔離，保證整個電路的安全，提高驅(qū)動電路的可靠性。

（2）IXDN614是一款常用驅(qū)動芯片，輸入端IN輸入的驅(qū)動信號來控制其輸出Vo高低。輸出Vo為高電平時和SiC BJT驅(qū)動電壓VCC相等，輸出低電平時Vo為0 V。驅(qū)動芯片的驅(qū)動電源VCC端需要足夠的耦合電容（>470 μF）來保證輸出端Vo的穩(wěn)出。

（3）驅(qū)動芯片和SiC BJT基極之間是一個由基極電阻R1和電容C1構(gòu)成的阻容網(wǎng)絡(luò)，可以對流入SiC BJT基極的電流進(jìn)行控制：R1可以調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時的基極電流，C1可以調(diào)節(jié)開通瞬間電流，這個瞬態(tài)電流可以對SiC BJT內(nèi)部的極間電容迅速充電，使其快速導(dǎo)通。阻容網(wǎng)絡(luò)的存在可以提高SiC BJT的開關(guān)速度，降低SiC BJT的開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗。

（4）在驅(qū)動電路中還需要加入扼流線圈，從而降低電源輸入和基極驅(qū)動輸入和輸出電路中的共模噪聲。

圖5　單電源基極驅(qū)動電路原理圖

3.2驅(qū)動電路參數(shù)的選擇

（1）電容C1的參數(shù)選擇

圖6為SiC BJT一個開關(guān)周期內(nèi)的基極電流波形，在開通瞬間，柵極電流出現(xiàn)電流尖峰，然后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；關(guān)斷瞬間，電流出現(xiàn)負(fù)向峰值然后降為零。

開通瞬間電容C1上的電壓突然變化對其充電，產(chǎn)生電流尖峰，從而加快SiC BJT的極間電容的充電速度，加快其開通速度。在關(guān)斷瞬間，負(fù)向電流尖峰使SiC BJT的極間電容迅速放電，加快其關(guān)斷速度。

圖6　1 200 V/6 A SiC BJT的基極電流波形

圖7給出Vo不變時，C1從0 nF（只有R1存在時）增加到100 nF時，柵極電流峰值的變化情況?？梢钥吹紺1越大，瞬時電流尖峰越高。當(dāng)電容值超過10 nF以后，關(guān)斷時的基極電流峰值增幅很小，當(dāng)電容值超過20 nF之后，開通時的基極電流峰值增幅會變得很小。

圖8給出C1從0到100 nF變化時，SiC BJT開通、關(guān)斷時間的變化情況?？梢钥吹皆龃蠡鶚O電流尖峰峰值會降低SiC BJT的開通和關(guān)斷時間，但在C1>18 nF之后，開關(guān)時間基本穩(wěn)定，變化很小。

C1在優(yōu)化SiC BJT的開關(guān)時間的同時，不可避免的也會影響系統(tǒng)的功耗，一方面，C1的大小會影響器件的開關(guān)損耗Eon和Eoff。圖9給出了C1與SiC BJT開關(guān)損耗的關(guān)系曲線，可以看到在C1=9 nF時開關(guān)損耗最小，在此基礎(chǔ)上增大或減小C1的值都會增大開關(guān)損耗。另一方面，過大的電容值也會造成較大的驅(qū)動損耗，式（5）給出C1充電的功率損耗計算方法：

式中，fs表示頻率，Vo表示驅(qū)動輸出電壓，VBE表示SiC BJT基射之間的壓降。

圖7　基極電流峰值IB（pk）與基極電容C1的關(guān)系曲線

圖8　SiC BJT上升時間tr和下降時間tf與基極驅(qū)動電容C1的關(guān)系曲線

圖9　SiC BJT開關(guān)能量損耗與基極驅(qū)動電容C1的關(guān)系曲線

綜上所述，C1會對SiC BJT的開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗，以及SiC BJT的開關(guān)速度產(chǎn)生影響。在選擇C1時要盡可能的降低開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗同時獲得足夠快的開關(guān)速度。對于此SiC BJT器件一般選用C1=9 nF。

此外，基極驅(qū)動電路和SiC BJT的基極都會存在寄生電感，可能會與電容C1產(chǎn)生諧振。此時，可以使用一個1 Ω左右的無感電阻與C1串聯(lián)來削弱振蕩。

（2）基極電阻R1的選擇

通過基極電阻R1可以調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時的基極電流，即圖7中的IB（av）。式（6）給出SiC BJT基極穩(wěn)態(tài)電流的計算方法：

式中，VBE（on）表示導(dǎo)通時SiC BJT基射壓降，VBE（on）≈4 V。

SiC BJT作為開關(guān)器件使用時，要求其工作在飽和區(qū)。這就要求柵極電流要足夠高，最好能使SiC BJT處于過驅(qū)動的狀態(tài)，令其集-射電壓VCE下降到足夠低，使SiC BJT達(dá)到最好的開通性能。這可以看作是要求其電流增益較低，或者說強(qiáng)迫電流增益βF在12<βF<15的范圍之內(nèi)。

圖10給出額定電壓為1 200 V的SiC BJT在驅(qū)動電壓Vo=15 V時，基極驅(qū)動電阻R1的最佳選值與電流定額的關(guān)系。

圖10　基極電阻優(yōu)化值與電流定額的關(guān)系曲線

（3）基極驅(qū)動電壓Vo的參數(shù)選擇

基極驅(qū)動電壓Vo也會影響SiC BJT的性能，SiC BJT的基射結(jié)需要3 V~4 V左右的電壓才能導(dǎo)通，這就要求基極驅(qū)動能提供足夠高的電壓。同時由式（6）可知，Vo的大小也會影響到SiC BJT導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)時基極電流IB（av）的大小。

圖11給出基極電壓Vo對SiC BJT開關(guān)時間tr、tf和開關(guān)損耗Etot的影響。可以看到在R1、C1固定的情況下，隨著Vo的升高，SiC BJT開關(guān)時間tr、tf和開關(guān)損耗Etot呈現(xiàn)出近似線性下降的趨勢。因此Vo越高，SiC BJT的開關(guān)性能更好。

圖11　BJT開關(guān)時間及開關(guān)能量與驅(qū)動電壓Vo的關(guān)系曲線

但是從式（5）的驅(qū)動損耗來看，在其他條件不變時，隨著Vo的增大，Pdrive（sw）也會隨之變大。

電路設(shè)計人員在參數(shù)選擇時需要權(quán)衡對器件開關(guān)速度的要求和驅(qū)動功率損耗要求，來選擇合適的Vo。對于文中所用的1 200 V耐壓SiC BJT來說，Vo取為15 V比較合適。

3.3功率損耗計算

由上分析，表4給出驅(qū)動1 200 V/6 A的SiC BJT的最佳驅(qū)動參數(shù)組合。

表4　驅(qū)動1 200 V/6 A SiC BJT最佳參數(shù)組合

表5給出使用最佳驅(qū)動參數(shù)的單電源基極驅(qū)動電路的損耗情況，其中占空比D=0.7，f0=500 kHz。

表5　最佳驅(qū)動參數(shù)下的驅(qū)動損耗情況

表5中，Pdrive（ss）表示穩(wěn)定狀態(tài)時的驅(qū)動損耗；Pdrive（sw）表示C1充電損耗；PBJT（SW）表示BJT的開關(guān)損耗。

對于穩(wěn)態(tài)驅(qū)動損耗Pdrive（ss），穩(wěn)態(tài)時的電流、電阻等影響損耗的因素相對穩(wěn)定，其主要受到驅(qū)動信號的占空比D的影響。對于開關(guān)損耗（Pdrive（sw）和PBJT（sw））來說，主要取決于開關(guān)頻率和驅(qū)動電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖12給出在D=0.7時，隨著頻率增大，基極驅(qū)動損耗的變化情況。從f>70 kHz開始，PBJT（sw）占較大比例，這時與驅(qū)動相關(guān)的器件損耗隨著開關(guān)頻率的增長近似呈線性增長。

圖12　驅(qū)動相關(guān)的器件損耗與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線

4　結(jié)論

文中對SiC BJT單電源驅(qū)動電路進(jìn)行了研究，給出損耗分析計算，對主要參數(shù)給出優(yōu)化選擇方法，并采用優(yōu)化參數(shù)組合，對功率損耗進(jìn)行了討論。從而為SiC BJT驅(qū)動電路的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

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張英（1993-），男，電氣工程及其自動化專業(yè)本科生，研究方向為先進(jìn)功率電子變換技術(shù)，861075281@qq.com；

徐華娟（1986-），女，碩士，助理實驗師，研究方向為電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用，xuhuajuan@nuaa.edu.cn；

秦海鴻（1977-），男，博士，副教授，研究方向為功率變換技術(shù)、電機(jī)控制、新器件應(yīng)用研究，qinhaihong@nuaa.edu.cn。

Study of the Polarization Imaging and Optimization Technology*

LI Dalin，TANG Jun，WANG Fei，ZHANG Nan，WANG Chenguang，REN Jianbin，XUE Chenyang，LIU Jun，LIU Lishuang*
（Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract:The amount of exposure received by the imaging device and the sensitivity of the device all had crucial impacts to the image quality and the polarization information in the polarization imaging technology. We analyzed the influence to the sky polarization information when changed the amount of exposure and the sensitivity of the imaging device respectively. In the sunny weather day，device is easy to overexposure，so the approach to be first taken was to reduced the amount of exposure.Experiments show that when reduced the amount of exposure by 5 times，the accurate of polarization information can be increased 48%. Secondly，the device sensitivity was changed by controlling the ISO degree. Experiments show that when each ISO level is lower in one grade，the similarity can be increased 5%. And the similarity can be achieved the maximum when the ISO is 100，the measurement accuracy can be up to about 70%.

Key words:polarization imaging；optical sensor；the exposure adjustment；the sensitivity adjustment

doi：EEACC:7210；624010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.007

收稿日期：2015-04-14修改日期：2015-05-19

中圖分類號：TN432

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0026-06