一種SiCMOSFET驅動保護電路的設計

劉峰兵

摘要：相比于同等級的Si MOSFET，SiC MOSFET因具有更高速的開關特性和更小的導通損耗而具有極大地應用優(yōu)勢。但是，SiC MOSFET更小的門極電容和更小的門極耐壓范也使得其在應用時提出了更大的挑戰(zhàn)。本文在分別對SiC MOSFET的開通關斷過程進行分析之后得出其安全可靠驅動的要求，研究適用于SiC MOSFET的驅動保護電路，進行LTspice仿真驗證，分析了施加不同外部電容和不同驅動電阻對SiC MOSFET開關特性的影響，同時對保護電路的功能進行了PSpice仿真驗證。

關鍵詞：SiC MOSFET；驅動電路；過流保護

SiC MOSFET 作為新一代的寬禁帶半導體器件，由于其高耐壓、高工作溫度、高開關頻率和低導通阻值所以具有更優(yōu)越的性能。高開關頻率也提高了功率轉換器的功率密度[1]。對比其相同等級的高壓Si MOSFET，SiC MOSFET在高頻區(qū)域工作時產(chǎn)生更低的開關損耗。為了能夠充分地利用SiC MOSFET的高頻特性，一種可靠穩(wěn)定的驅動保護電路的設計是十分必要的。

本文在分別分析SiC MOSFET的開通關斷過程之后得到其安全可靠驅動的要求，在已有的成熟電路拓撲結構基礎之上進行改進，研究適用于SiC MOSFET的驅動保護電路，分析了施加不同外部電容和不同驅動電阻對SiC MOSFET開關特性的影響，同時對保護電路的功能進行了仿真驗證。

1 SiC MOSFET特性及驅動要求

設計驅動電路時，主要考慮SiC MOSFET 的開通及關斷兩個過程。因為SiC MOSFET的開啟電壓低且內(nèi)部具有較大的門極電阻，因此由高開關頻率所引起的高dv/dt會對應用于半橋結構的SiC MOSFET會造成嚴重的橋臂直通的串擾問題。在關斷瞬間，由于負向最大耐壓較小，串擾問題會造成SiC MOSFET門極電壓超過其負向耐壓最大值而損壞。

基于以上SiC MOSFET的開通關斷特性的分析得出其驅動電路的要求主要有以下幾個方面[2]：第一、觸發(fā)脈沖應該有比較快的上升速度和下降速度，脈沖沿要陡；第二、驅動回路阻抗不應太大，開通時能夠對柵極電容迅速充電，關斷時柵極電容可以迅速放電；第三、驅動電路需要提供足夠大的電流；第四、需要提供足夠大的驅動電壓以降低SiC MOSFET的導通損耗；第五、關斷時驅動可以提供負壓用來防止誤導通，增強抗干擾能力；第六、驅動電路應盡量靠近SiC MOSFET以降低驅動回路寄生電感。

2 驅動電路設計

由于SiC MOSFET的阻斷電壓大于1kV，因此需要使用隔離型的驅動器。為了實現(xiàn)控制信號與主功率回路之間的隔離，需要采用隔離驅動。本次驅動電路信號的隔離采用光纖HFBR2522實現(xiàn)，光纖隔離電壓可以達到5kV以上，完全可以滿足隔離要求。而電源的設計使用了金升陽模塊來為此次驅動電路的供電。

本次設計中的驅動電路使用驅動芯片IXDN609SI來搭建，該款芯片的供電電壓范圍寬，可以從4.5V到35V之間選擇，并且峰值驅動電流最大可以到達9A，其驅動能力完全達到本次使用的SiC MOSFET的要求。為了防止柵極電壓的波動過高或過低，在驅動的輸出級增加了由D2和D3組成的限幅電路，同時配置了由D4和D5組成的柵極有源箝位電路。驅動電路如圖1所示。

3 保護電路設計

相比于同等級的IGBT，由于本身更小的芯片面積和更高的電流密度，SiC MOSFET可以承受的短路時間更短。根據(jù)文獻[3]，對于1200V/33A SiC MOSFET在母線電壓為600V下發(fā)生硬短路故障時，器件失效大約發(fā)生在故障出現(xiàn)的13us之后。但是器件在發(fā)生短路故障之后的5μs就產(chǎn)生明顯的漏電流，這說明SiC MOSFET已經(jīng)發(fā)生了短路故障。

本次保護電路采用分流器檢測的方法，檢測電路主要由高速比較器LM319為核心，當檢測值大于設定的閾值電壓時比較器翻轉，將控制信號封鎖，關斷SiC MOSFET。本文采用分流器檢測和退飽和檢測相結合的方式。當SiC MOSFET正常開通關斷時，比較器輸出為低電平狀態(tài)。而在發(fā)生過流故障時，比較器輸入端電壓升高，當大于檢測閾值電壓時比較器翻轉輸出高電平。此時將PWM輸入信號拉低，使SiC MOSFET始終處于關斷控制信號之下，直到排除故障。檢測保護電路如圖2所示。

利用PSpice軟件模擬雙脈沖實驗對過流保護電路進行仿真。圖3為退飽和檢測仿真曲線，母線電壓VDS=100V，負載電感L=30uH。MOS管在t=5μs時導通，ID以一定斜率開始上升，當t=10μs 時，VDS大于9.6V，檢測電平翻轉，由低電平變?yōu)楦唠娖?。圖4為分流器檢測仿真曲線，分流器阻值為5毫歐，差分放大比例為50：1，設定過流閾值為12A。MOS管在t=5μs時導通，當t=12μs時，檢測輸入信號大于閾值，檢測電平翻轉，由低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

4 驅動電路仿真驗證

為了驗證本次設計的驅動保護電路的性能，將本次設計的驅動電路通過PSpice仿真驗證，母線電壓VDS=600V，負載電感L=500uH。將上半橋的SiC MOSFET加負壓關斷，僅僅利用上管的續(xù)流二極管，對下管的柵極施加雙脈沖信號獲取SiC MOSFET在開通關斷過程中的主要參數(shù)。仿真驗證如圖4所示，開通時驅動電阻RG為10Ω并且在柵源極并聯(lián)2.2nF電容，關斷時的驅動電阻RG為5Ω和在柵源極并聯(lián)2.2nF電容。

通過分析開關波形得出驅動電阻越小，SiC MOSFET開關速度越快。但是驅動電阻越小柵極電壓VGS，漏源極電壓VDS和源極電流ID的振蕩越明顯，而且振蕩幅度越大。為了降低振蕩，優(yōu)化開關波形，可以在柵源極間并聯(lián)一個2.2nF電容適當降低開關速度。

5 結論

本文設計了一種 SiC MOSFET 專用驅動電路，并研究器件的過流保護電路，通過PSpice仿真可知該電路對器件的保護非常有效。并通過仿真實驗選擇選取適當?shù)尿寗与娮杓巴饨与娙荨?/p>

參考文獻：

[1] Van Wyk J D.Power electronics technology at the dawn of a new centurypast achievements and future expectaions [C]Proceedings of the third International Power Electroni –cs and Motion Control Conference. Beijing， China，2000：920.

[2]D. Othman， M. Berkani， S. Lefebvre， A. Ibrahim， Z. Khatir， and A. Bouzourene， “Comparison study on performances and robustness between SiC MOSFET & JFET devices–Abilities for aeronautics application，” Eur. Symp. Reliab. Electron Devices， Failure Phys. Anal.， vol. 52， no. 9， pp. 1859–1964， Sep. 2012.

[3]Design and Performance Evaluation of Overcurrent Protection Schemes for Silicon Carbide （SiC） Power MOSFETs.