SiC MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析

鄒世凱，胡冬青，黃仁發(fā)，崔志行，梁永生

（北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124）

SiC MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析

鄒世凱，胡冬青，黃仁發(fā)，崔志行，梁永生

（北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124）

為使SiC MOSFET在應(yīng)用中安全可靠的工作，通過對SiC MOSFET開關(guān)特性的分析，設(shè)計(jì)了一種SiC MOSFET驅(qū)動電路。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)、速度快、輸出功率大等特點(diǎn)。另外，在高功率、高頻等特殊環(huán)境下工作，為了提高SiC MOSFET的可靠性，還對器件過載保護(hù)電路進(jìn)行研究。通過Pspice軟件仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)過載保護(hù)電路可以有效地保護(hù)器件不受損壞。最后，搭建雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證驅(qū)動電路的基本功能并測試采用不同柵極電阻時對SiC MOSFET開關(guān)特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該電路具有良好的驅(qū)動能力。

碳化硅MOSFET；驅(qū)動電路；過載保護(hù)電路；Pspice仿真軟件；雙脈沖實(shí)驗(yàn)

Abstract:A driver circuit of SiC MOSFETs with simple structure，high computing speed，and high output power was proposed to make devices more reliable in the application，based on analyzing their switching characteristics.In addition，the overload protection circuit of devices at high frequency and high power using the Pspice was investigated，indicating that it is good at protecting devices from damage.Furthermore，a double pulse test platform was set up to verify the driver circuit，certifying its effectiveness.In particular，the influence of the gate resistance on SiC MOSFETs′switching characteristics was demonstrated.The experimental results show that the driver circuit has a good driver ability.

Key words:SiC metal-oxide-semiconductor field-effect transistor；driver circuit；overload protection circuit；Pspice simulation software；double pulse test

作為第三代半導(dǎo)體，SiC材料相比Si材料具有禁帶寬度大，高臨界擊穿電場強(qiáng)度，以及高飽和漂移速度，因此SiC MOSFET相比Si MOSFET更適合在高溫、高功率和高頻等特殊條件下工作，成為目前研究的熱點(diǎn)［1］。

本文設(shè)計(jì)的SiC MOSFET驅(qū)動電路采用專用驅(qū)動電源模塊，驅(qū)動電壓DC+20/-4 V，使電路結(jié)構(gòu)簡單，更有利于驅(qū)動電路的集成化。對驅(qū)動電路過壓和過流保護(hù)電路進(jìn)行分析，并利用Pspice軟件對電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證其功能。最后搭建雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺來測量SiC MOSFET的開關(guān)特性，同時驗(yàn)證驅(qū)動電路基本功能。

1 SiC MOSFET驅(qū)動電路要求

SiC MOSFET的器件結(jié)構(gòu)和電路模型與Si MOSFET類似，兩種器件的開關(guān)過程基本相同。但由于使用的材料不同，寄生參數(shù)也不同。SiCMOSFET柵極寄生電容更小，開關(guān)速度更快，所以用Si MOSFET驅(qū)動電路來驅(qū)動SiC MOSFET是不合理的。

根據(jù)器件的自身特點(diǎn)，SiC MOSFET對驅(qū)動電路主要有以下幾個方面要求：

1）驅(qū)動電路需具有合適的驅(qū)動電壓，盡可能小的驅(qū)動回路寄生參數(shù)；

2）柵極驅(qū)動脈沖必須具有足夠的上升和下降速度，脈沖的前沿和后沿要陡峭；

3）為減小米勒平臺的持續(xù)時間，驅(qū)動電路峰值電流Imax要更大，提高開關(guān)速度。

而在實(shí)際電路應(yīng)用中還應(yīng)考慮驅(qū)動回路的電氣隔離、傳輸延遲、芯片過壓過流保護(hù)等問題［2］。

2.1.1 主莖?！傍櫢＝疸@蔓綠絨”及其親本的主莖均為圓柱形，“鴻福金鉆蔓綠絨”主莖上部為紅紫色，下部為黃綠色，莖節(jié)為紅紫色，其親本為黃綠色，莖節(jié)為紅紫色(表2)。種植12個月時“鴻福金鉆蔓綠絨”的平均主莖長為12.3 cm，主莖粗為2.5 cm，其親本的主莖長為12.3 cm，主莖粗為2.6 cm，差異不顯著(表3)。

2 SiC MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

本文以羅姆公司型號為SCH2080KE的SiC MOSFET為例，根據(jù)datasheet可知，其柵極電壓最大范圍是-10～+26 V。為了安全考慮，選擇SiC MOSFET的開啟電壓為+20 V，關(guān)斷電壓為-4 V。因此，驅(qū)動電路的電源選用金升陽QA01C，該電源是SiC MOSFET驅(qū)動電路專用電源模塊，輸入電壓15 V，輸出電壓分別為+20 V和-4 V。

由于驅(qū)動電路主回路連接功率級電路，承受高電壓大電流，控制電路為了避免受到主回路的干擾，驅(qū)動電路應(yīng)具有良好的電氣隔離性能。本文采用光電隔離方式，利用光耦隔離芯片6N137將控制電路和主回路隔離開，隔離效果更好，輸出阻抗更低。

若要使SiC MOSFET正常開通，驅(qū)動電路必須提供足夠的驅(qū)動電流，因此需要在門極之前加入Buffer電路，提高驅(qū)動能力。相對于Si MOSFET來說，SiC MOSFET柵極寄生電容更小，所以驅(qū)動電流也更小。本文采用IXDI609 SIA作為驅(qū)動芯片，輸出電流為-9～+9A，滿足SiC MOSFET驅(qū)動電路要求［3］。

驅(qū)動電路中柵極電阻小，器件開關(guān)快，損耗??；反之則開關(guān)慢，損耗大。但驅(qū)動速度過快，器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產(chǎn)生較大的干擾，尤其是在器件關(guān)斷的時候，由于線路中雜散電感的存在，會在器件兩端產(chǎn)生較大的電壓尖峰，對器件造成損壞。因此，在器件開通和關(guān)斷的時刻，驅(qū)動電路應(yīng)采用不同的柵極電阻。

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路原理圖如圖1所示，Ron和Roff即為開通和關(guān)斷時不同的柵極電阻，一般Roff要大于Ron。

圖1 驅(qū)動電路原理圖Fig.1 The driver circuit schematic

圖2為所設(shè)計(jì)驅(qū)動電路的輸出波形，高電平為+20 V，低電平為-4 V，并且驅(qū)動電平上升下降速度必須非?？?。圖3為驅(qū)動電路接負(fù)載時的驅(qū)動電流波形，完全滿足SiC MOSFET的驅(qū)動要求。

圖2 驅(qū)動電路輸出波形Fig.2 The output waveform of driver circuit

圖3 柵極驅(qū)動電流Fig.3 The driver current of gate

3 過載保護(hù)電路研究與仿真

SiC MOSFET具有較脆弱的短時過載承受能力，所以在器件應(yīng)用時需要保護(hù)電路來提高器件的可靠性。過載保護(hù)電路主要有以下兩方面。

3.1 漏-源過壓保護(hù)電路

漏-源過壓主要是因?yàn)槠骷P(guān)斷速度快，產(chǎn)生較大的di/dt，又因?yàn)榫€路中雜散電感的存在，所以會在器件兩端引起很大的電壓尖峰。為了避免電壓尖峰對器件造成損壞，需要在漏-源之間進(jìn)行過壓保護(hù)。

漏-源過壓保護(hù)電路如圖4所示，該電路的作用就是將高而窄的電壓尖峰轉(zhuǎn)化為矮而寬的電壓尖峰，延長關(guān)斷時間。其原理非常簡單，主要是利用穩(wěn)壓二極管DZ設(shè)置保護(hù)電壓閾值，當(dāng)漏-源電壓UDS超過保護(hù)閾值，則二極管DZ擊穿。擊穿電流IZ分為2條支路：一條支路直接流向柵極充電抬高門極電壓，使器件短暫地工作在飽和區(qū)，降低關(guān)斷過程中的di/dt，du/dt及鉗位UDS電壓；另一條支路流向Buffer電路的輸入端，電流經(jīng)過Buffer電路放大后流入充電門極，進(jìn)一步抑制了UDS的上升，鉗位效果更好［4］。

圖4 漏-源過壓保護(hù)電路Fig.4 The overvoltage protection circuit of drain-source

利用Pspice軟件模擬雙脈沖實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證過壓保護(hù)電路的功能。如圖5所示，當(dāng)SiC MOSFET開通時，電流ID隨著時間以UCC/L的斜率增加，電壓UDS為很小的低電壓。當(dāng)SiC MOSFET關(guān)斷時，電感電流通過二極管D0續(xù)流，電流ID為零，電壓UDS升高為電源電壓UCC，并由于線路中寄生電感LP的存在產(chǎn)生電壓尖峰。

圖5 仿真原理圖Fig.5 The simulation schematic

圖6a為不帶有過壓保護(hù)的仿真曲線；圖6b為帶有過壓保護(hù)的仿真曲線。通過比較可以看出，過壓保護(hù)電路會使器件關(guān)斷時的電壓尖峰變得平緩，并且震蕩減少，有效地保護(hù)器件。

3.2 過流保護(hù)電路

過流保護(hù)電路如圖7所示。首先需要去飽和檢測電路，即器件過流時，需要及時檢測出過流信號；其次是邏輯控制電路，由于管子的過流信號往往是瞬時信號，所以該部分應(yīng)該具有鎖存功能；最后就是執(zhí)行電路，當(dāng)發(fā)生過流故障時，執(zhí)行電路應(yīng)迅速將柵極脈沖信號切斷，保證器件不受損壞。

圖6 過壓保護(hù)仿真圖Fig.6 The simulation waveforms of over voltage protection

圖7 過流保護(hù)電路框圖Fig.7 The circuit diagram of overcurrent protection

1）去飽和檢測電路。如圖8所示，當(dāng)被測器件處于正常開通狀態(tài)時，Buffer電路輸出為正電壓，二極管D1正向偏置，二極管Dz反向偏置，電流不會通過Dz給后續(xù)RC充電，所以反向器的輸入是低電平。當(dāng)器件出現(xiàn)過流故障時，UDS會迅速升高，當(dāng)超過穩(wěn)壓管Dz的穩(wěn)壓值時，二極管D1反偏，Buffer電流開始通過穩(wěn)壓管Dz給后續(xù)RC充電，使反向器輸入變?yōu)楦唠娖?，從而檢測出過流故障，穩(wěn)壓管Dz的穩(wěn)壓值決定了保護(hù)電路的動作閾值。當(dāng)器件關(guān)斷時，電壓UDS非常高，二極管D1反偏，此時Buffer電路輸出為負(fù)電壓，所以不會為RC充電，反向器輸入仍為低電平。

2）邏輯控制電路。邏輯控制電路最主要的是鎖存電路，如圖8所示。鎖存電路一共有3個輸入2個輸出。第一個輸入是來自檢測電路的檢測信號，當(dāng)器件處于正常開通時，反向器輸出為高電平，鎖存器輸出為低電平。當(dāng)發(fā)生過流故障時，反向器輸出變?yōu)榈碗娖?，鎖存器輸出為高電平，將觸發(fā)后面的執(zhí)行電路，同時鎖存器的另一端可以輸出故障信息。第二個輸入是手動關(guān)斷裝置，可以手動控制器件的關(guān)斷。第三個輸入是復(fù)位端。

圖8 去飽和檢測和邏輯控制電路Fig.8 The circuit of desaturation detection and logic control

3）執(zhí)行電路。如圖9所示，當(dāng)器件發(fā)生過流故障時，檢測到過流信號后執(zhí)行電路必須及時做出響應(yīng)。首先是柵極電壓鉗位，過流故障發(fā)生時，器件的柵極電壓產(chǎn)生尖峰，可能會導(dǎo)致器件的柵氧化層擊穿，使器件失效。為了解決這個問題，增加放電電容C1和齊納二極管D1，當(dāng)故障產(chǎn)生時，M1被打開，電容被充電至齊納二極管的穩(wěn)壓值，釋放柵極電容電荷。其次是軟關(guān)斷，發(fā)生過流故障時電流會很大，器件如果關(guān)斷太快則會引起很大的di/dt，產(chǎn)生較大的電壓過沖，所以M3先打開，Buffer電路關(guān)斷，經(jīng)過RC延遲后M2打開，較大的電阻R2連接?xùn)艠O，降低了柵極的電壓變化率［5］。

圖9 執(zhí)行電路Fig.9 The execution circuit

同樣利用Pspice軟件模擬雙脈沖實(shí)驗(yàn)對過流保護(hù)電路進(jìn)行仿真。圖10為去飽和檢測電路仿真曲線，穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)壓值設(shè)為10 V，電源電壓UCC=100 V，負(fù)載電感L=20 μH。器件在10 μs時開始導(dǎo)通，電流ID以UCC/L的斜率直線增加，同時電壓UDS隨著電流的增大也在增大，在23.67 μs時電壓UDS達(dá)到10 V，檢測信號由低電平變?yōu)楦唠娖健D11為執(zhí)行電路仿真曲線。接收到檢測信號時，執(zhí)行電路及時將柵極脈沖信號關(guān)斷，避免器件因過流而損壞。

圖10 去飽和檢測電路仿真曲線Fig.10 The simulation waveforms of desaturation detection circuit

圖11 執(zhí)行電路仿真曲線Fig.11 The simulation waveforms of execution circuit

4 驅(qū)動電路實(shí)驗(yàn)分析

雙脈沖實(shí)驗(yàn)可以便捷地測試SiC MOSFET的開關(guān)特性和驅(qū)動電路的性能。器件的開關(guān)特性除了取決于本身的參數(shù)外，還與驅(qū)動電路中柵極電阻有關(guān)，而柵極電阻的最佳阻值只能通過實(shí)際測量來選取。

為了避免測量出現(xiàn)誤差，在測量之前需對示波器電壓探頭和電流探頭延遲進(jìn)行校準(zhǔn)。另外，空心電感流過電流時會對脈沖信號進(jìn)行磁干擾，所以一定要注意空心電感的擺放位置。驅(qū)動回路的寄生電感對器件的開關(guān)特性也有很大的影響，所以驅(qū)動電路與器件柵極之間采用雙絞線或者端子之間直插方式連接。

為了比較不同柵極電阻對器件開關(guān)特性的影響，分別選取2 Ω，5 Ω，10 Ω，25 Ω的電阻作為柵極電阻。

圖12～圖15給出了使用不同柵極電阻時SiC MOSFET的開通關(guān)斷波形。測試條件為：直流電壓UCC=200 V，電感L=520 μH，測試電流ID= 25A，開關(guān)器件SCH2080KE，驅(qū)動電壓+20/-4 V，柵極電阻RG為2 Ω，5 Ω，10 Ω，25 Ω。

圖12RG=2 Ω時SiC MOSFET的開關(guān)波形Fig.12 The switching waveforms of SiC MOSFET whenRG=2 Ω

圖13RG=5 Ω時SiC MOSFET的開關(guān)波形Fig.13 The switching waveforms of SiC MOSFET whenRG=5 Ω

圖14RG=10 Ω時SiC MOSFET的開關(guān)波形Fig.14 The switching waveforms of SiC MOSFET whenRG=10 Ω

圖15RG=25 Ω時SiC MOSFET的開關(guān)波形Fig.15 The switching waveforms of SiC MOSFET whenRG=25 Ω

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路工作狀態(tài)良好，滿足驅(qū)動電路設(shè)計(jì)要求。

另外，通過對比不同柵極電阻下SiC MOSFET的開關(guān)波形可以看到，較小的柵極電阻可以增大開關(guān)速度，但是帶來的電壓、電流振蕩有可能會損壞器件，所以在選擇柵極電阻時要折中考慮。

在保證器件安全工作的條件下，盡可能選擇比較小的驅(qū)動電阻，可以看到5 Ω的柵極電阻比較合適。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種SiC MOSFET專用驅(qū)動電路，并研究器件的過壓、過流保護(hù)電路，通過軟件仿真可知該電路對器件的保護(hù)非常有效。最后搭建雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺，測試器件的開關(guān)特性，結(jié)果證明驅(qū)動電路非常有效，并通過實(shí)際測試選擇合理的柵極電阻。

［1］Jayant Baliga B.Fundamentals of Power Semiconductor Devices［M］.USA：Springer，2008.

［2］彭詠龍，李榮榮，李亞斌.大功率SiC MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計(jì)［J］.電測與儀表，2015，52（11）：74-78.

［3］張旭，陳敏，徐德鴻.SiC MOSFET驅(qū)動電路及實(shí)驗(yàn)分析［J］.電源學(xué)報，2013，11（3）：71-76.

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Design and Experiment Analysis of Driver Circuit for SiC MOSFET

ZOU Shikai，HU Dongqing，HUANG Renfa，CUI Zhihang，LIANG Yongsheng
（College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China）

TM13

A

10.19457/j.1001-2095.20170912

鄒世凱（1991-），男，碩士研究生，Email：1169344656@qq.com

2016-09-23

修改稿日期：2016-11-07