*SiC MOSFET驅(qū)動技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳海富，張建忠，趙 進，張雅倩

(東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京 210096)

在未來的電力系統(tǒng)中，分布式發(fā)電以及高壓直流輸電等技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用，而這些技術(shù)都離不開電力電子裝置[1-3]。傳統(tǒng)的功率器件像硅MOSFET和硅IGBT等，開關(guān)頻率一般低于100 kHz，大大增加了電力電子裝置中無源元件的體積，降低了裝置的功率密度[4-7]。

隨著寬禁帶器件的誕生，SiC MOSFET憑借著導(dǎo)通電阻低、開關(guān)頻率高、耐壓高的特點被廣泛應(yīng)用[8-10]。目前像并網(wǎng)逆變器以及電力電子變壓器(PET)中也開始使用SiC MOSFET，SiC MOSFET能夠有效減小裝置的功率損耗，預(yù)計在未來電力系統(tǒng)中將會得到更為廣泛地應(yīng)用[11-12]。

為了使SiC MOSFET在電力電子裝置中能夠可靠地運行，設(shè)計出穩(wěn)定的SiC MOSFET驅(qū)動電路成了一大難題[13-15]。本文將對SiC MOSFET的驅(qū)動以及保護技術(shù)進行研究，同時也會對電力系統(tǒng)中的電力電子裝置進行詳細(xì)的闡述。

1 SiC MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計

1.1 SiC MOSFET驅(qū)動電路基本結(jié)構(gòu)

SiC MOSFET驅(qū)動電路主要包括以下幾個方面：隔離供電電源、PWM隔離以及功率放大電路。主要電路框圖如圖1所示。

圖1 SiC MOSFET驅(qū)動電路框圖Fig.1 Block diagram of SiC MOSFET gate driver

由于SiC MOSFET開啟電壓(Vth)低，所以一般采用負(fù)壓關(guān)斷。羅姆公司的SiC MOSFET驅(qū)動電壓為20/-4 V，其供電電源可以由DC/DC模塊產(chǎn)生。金升陽公司有專門的SiC MOSFET電源芯片，輸入電壓15 V，輸出電壓20 V和-4 V.PWM隔離主要有光耦隔離、電容隔離以及脈沖變壓器隔離等。

圖2是典型的SiC MOSFET驅(qū)動電路圖，PWM隔離采用的光耦隔離芯片為6N137模塊，工作頻率可達10 MHz.功率放大電路采用圖騰柱輸出，可增強電路的驅(qū)動能力，本文采用IXDD609芯片，其輸出電流可達9 A.功率放大后的輸出信號Vgs輸入到電平移位電路，其主要作用就是產(chǎn)生負(fù)壓可靠關(guān)斷SiC MOSFET.測試波形圖如圖3所示。

圖2 SiC MOSFET驅(qū)動電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of SiC MOSFET gate driver

圖3 SiC MOSFET門極驅(qū)動波形圖Fig.3 Waveform of SiC MOSFET gate driver

完成SiC MOSFET驅(qū)動電路的設(shè)計后，需采用雙脈沖測試(DPT)電路來測試驅(qū)動電路性能。DPT電路主要用于測試驅(qū)動電路的振蕩情況、電壓電流的變化率以及尖峰等，同時還可以根據(jù)測試的波形計算出電路雜散電感的值。雙脈沖測試電路實驗波形圖如圖4所示。

圖4 雙脈沖測試結(jié)果圖Fig.4 Experimental results of DPT

從圖4中可以看出，SiC MOSFET在導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間都存在著一定的振蕩和尖峰，在設(shè)計驅(qū)動電路時要盡量減小雜散電感來消除這些危害。

1.2 SiC MOSFET諧振門極驅(qū)動電路

SiC MOSFET諧振門極驅(qū)動電路主要是用1個諧振電感Lr取代門極電阻Rg，利用Lr與門極電容Ciss諧振，將門極電容中存儲的能量回饋給電源，從而減小驅(qū)動損耗。諧振門極驅(qū)動電路如圖5所示，它由4個輔助MOS管、1個諧振電感Lr和1個諧振電容Cr構(gòu)成。MOS管工作時序如圖6所示。

圖5 SiC MOSFET諧振門極驅(qū)動電路Fig.5 Resonant gate driver of SiC MOSFET

圖6 諧振門極驅(qū)動時序圖Fig.6 Timing sequence of resonant gate driver

圖5所示的諧振門極驅(qū)動電路不僅可以減小驅(qū)動損耗，而且可以提高開關(guān)管的開通速度和關(guān)斷速度，進而提高開關(guān)頻率。圖7和圖8分別是傳統(tǒng)門極驅(qū)動和諧振門極驅(qū)動波形圖，從中可以看出諧振門極驅(qū)動電壓的上升和下降速度明顯快于傳統(tǒng)門極驅(qū)動。

圖7 傳統(tǒng)門極驅(qū)動波形圖Fig.7 Waveform of conventional gate driver

圖8 諧振門極驅(qū)動波形圖Fig.8 Waveform of resonant gate driver

2 SiC MOSFET過電流保護分析

在三相并網(wǎng)逆變器中，當(dāng)出現(xiàn)橋臂直通或者負(fù)載短路時，會出現(xiàn)很大的短路電流，如果關(guān)斷不及時將會燒毀開關(guān)管。對于SiC MOSFET，由于其門極電容Ciss很小，它能承受的短路時間很短，在600 V的直流母線電壓情況下，SiC MOSFET能承受的短路時間大概為3 μs，所以必須要設(shè)計出快速的過電流保護電路。

2.1 去飽和檢測過電流保護電路

SiC MOSFET實現(xiàn)快速保護的關(guān)鍵就是要檢測漏極電流Id，目前最常用的兩種方法是去飽和檢測法和電感檢測法。

去飽和檢測法的電路圖如圖9所示，它是根據(jù)SiC MOSFET漏源極電壓Vds與漏極電流Id的關(guān)系來實現(xiàn)電流檢測的。

圖9 去飽和檢測過電流保護電路Fig.9 Scheme of desaturation overcurrent protection

從圖9可以看出Vds是通過電阻R、檢測二極管Dsense、電容C和電流源IS檢測出來的，可以通過改變Vco的值來改變保護電流值的大小。根據(jù)SiC MOSFET的輸入特性曲線來確定保護電流值。

圖9的工作原理如下：設(shè)M為所需保護的SiC MOSFET功率器件，當(dāng)驅(qū)動電壓為負(fù)時，M關(guān)斷，T2導(dǎo)通，門極電流通過Roff進行關(guān)斷，與此同時T3導(dǎo)通，電流源IS電流流過T3.電容C兩端的電壓被鉗位在低電平，比較器不翻轉(zhuǎn)，具體電路如圖10(a)所示。當(dāng)驅(qū)動電壓為正時，T1導(dǎo)通，VCC給門極電容充電，門極電流通過Ron導(dǎo)通。當(dāng)門極電壓超過閾值電壓時，M導(dǎo)通，IS通過R，Dsense和M形成回路，這時比較器同樣不翻轉(zhuǎn)，具體電路見圖10(b).當(dāng)M發(fā)生短路時，Vds將迅速上升到母線電壓，二極管Dsense反偏，IS給電容C進行充電，電容電壓線性增加，當(dāng)它達到比較器門限電壓(Vco)時，比較器翻轉(zhuǎn)，同時會反饋一個錯誤信號。與此同時T1關(guān)斷，T2和T4導(dǎo)通，門極電壓被拉低，M關(guān)斷，電路如圖10(c)所示。上述Vco電壓通過式(1)得到。

Vco=Vd+VDSSET+IS·R.

(1)

圖10 電流流通路徑圖Fig.10 Current paths of driver circuit

本文通過負(fù)載短路來測試保護電路功能，結(jié)果如圖11所示。從圖11的結(jié)果可以看出，去飽和檢測過電流保護電路能夠有效的檢測過電流并且能夠進行快速保護。

圖11 去飽和檢測結(jié)果圖Fig.11 Results of desaturation overcurrent protection

去飽和檢測法的缺點就是容易受到溫度的影響，隨著溫度的升高，相同的Vds對應(yīng)的漏極電流Id會下降，將導(dǎo)致過電流保護不精確。圖12是在不同溫度下，門極電壓Vgs=20 V時的SiC MOSFET的輸出特性曲線。從圖12中可以看出隨著溫度的升高，輸出特性曲線下移，電流保護值也隨之下降。

2.2 電感檢測過電流保護電路

電感檢測法是在SiC MOSFET的源極增加一個感值很小的電感來實現(xiàn)過電流保護。具體電路如圖13所示。

圖12 不同溫度下SiC MOSFET輸出特性曲線Fig.12 Output characteristics of SiC MOSFET at different temperatures

圖13 電感檢測過電流保護原理圖Fig.13 Schematic diagram of inductance detection and overcurrent protection

檢測電路輸出電壓V0與SiC MOSFET漏極電流Id的關(guān)系為：

(2)

從式(2)可見漏極電流與檢測電壓近似成線性關(guān)系，通過設(shè)置Vref值的大小就可以控制保護電流值。圖13的具體工作原理如下：當(dāng)漏極電流Id超過保護電流值時，VSS也會超過一定的數(shù)值，這時輸出V0會超過比較值Vref，比較器翻轉(zhuǎn)，信號送入RS鎖存器，鎖存器輸出高電平。M1門極受到高電平導(dǎo)通，門極鉗位電路觸發(fā)。同時M3導(dǎo)通，阻止功率放大電路的脈沖輸入。由于R2和C2的存在，M2在延遲一段時間后開通，軟關(guān)斷電阻Rsoft被串入電路中，減緩了電路關(guān)斷速度，實現(xiàn)軟關(guān)斷。電感檢測法結(jié)果如圖14和圖15所示。

圖14 電感檢測法過電流保護結(jié)果圖Fig.14 Result of inductance detection and overcurrent protection

圖15 過電流保護階段波形圖Fig.15 Waveform during the stage of overcurrent protection

從圖14和圖15可以看到電感檢測法也能夠快速的檢測過電流并實現(xiàn)保護，但是電流在超過保護值后還會出現(xiàn)電流過沖，存在著一定的風(fēng)險。

目前的過電流保護電路還不能實現(xiàn)精確的電流恒定值保護，與保護值之間有偏差，當(dāng)發(fā)生電流過沖時，容易損壞SiC MOSFET，所以在實現(xiàn)保護時要留有一定的電流裕量。

3 SiC MOSFET在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 SiC MOSFET在并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用

隨著SiC MOSFET驅(qū)動技術(shù)以及保護技術(shù)的成熟，SiC MOSFET已經(jīng)開始應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器中。相比于傳統(tǒng)的硅逆變器，碳化硅逆變器增大了裝置功率密度，降低了逆變器的功率損耗，而且隨著溫度的升高，碳化硅逆變器的損耗降低的更多。如果在SiC MOSFET旁邊反并聯(lián)SiC二極管，將會減小能量回饋階段的反向恢復(fù)損耗。基于SiC MOSFET的三相并網(wǎng)逆變器如圖16所示。

圖16 SiC MOSFET三相并網(wǎng)逆變器Fig.16 Three-phase grid-connected inverter based on SiC MOSFET

圖17是逆變器中使用硅元件與碳化硅元件的損耗對比圖，從圖中我們可以看出，逆變器在使用SiC MOSFET和SiC二極管后，損耗下降了70%，裝置的效率也得到提高。

圖17 硅元件與碳化硅元件損耗對比圖Fig.17 Comparison diagram of loss between silicon and silicon carbide element

3.2 SiC MOSFET在電力電子變壓器中的應(yīng)用

目前，我國正大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，傳統(tǒng)的風(fēng)電系統(tǒng)都是通過工頻變壓器進行并網(wǎng)，通過高壓交流輸電傳送到各個變電站。雖然工頻變壓器結(jié)構(gòu)簡單、效率高，但是它體積大、重量大、功率密度小以及使用不靈活。在交流輸電系統(tǒng)中還要放置無功補償裝置，占用了大量的空間。

高壓直流輸電(HVDC)是目前比較新穎的一種輸電技術(shù)，它將電網(wǎng)的交流電整流成直流，通過DC/DC變換裝置變換成高壓直流傳送到變電站，具體結(jié)構(gòu)圖如圖18所示。

圖18 風(fēng)電場高壓直流輸電框圖Fig.18 Block diagram of high voltage DC transmission in wind power plant

在高壓直流輸電中，電力電子變壓器憑借著功率密度高、效率高、損耗低等特點越來越受到關(guān)注，而其中的DC/DC變換裝置是電力電子變壓器的核心，要實現(xiàn)中壓系統(tǒng)到高壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，DC/DC變換器一般采用輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)(IPOS)的形式，電路結(jié)構(gòu)如圖19所示。

圖19 IPOS型DC/DC變換裝置模塊圖Fig.19 Block diagram of IPOS DC/DC converter

圖19中每一個電路子模塊都是一個DAB電路，它中間的隔離變壓器采用高頻變壓器。為了提高電路的工作頻率，這里面的功率器件采用SiC MOSFET。隨著電路工作頻率的提高，高頻變壓器的體積也可以大幅度下降，裝置的功率密度以及效率得到提升。

3.3 SiC MOSFET在分布式發(fā)電中的應(yīng)用

火力發(fā)電需要消耗大量的煤碳資源，而且形成大量的溫室氣體和有害物質(zhì)的排放，導(dǎo)致大氣和土壤污染，為此，世界各國正在大力發(fā)展分布式可再生能源發(fā)電技術(shù)，主要包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等。一般分布式發(fā)電需要通過電力電子裝置進行電能變換，最后實現(xiàn)并網(wǎng)。圖20是分布式發(fā)電系統(tǒng)圖。

在分布式發(fā)電系統(tǒng)的電力電子裝置中，開關(guān)器件非常重要。以SiC MOSFET為主的寬禁帶器件將會減小裝置的損耗和體積，提高裝置的容量和性能指標(biāo)。目前SiC MOSFET在分布式發(fā)電系統(tǒng)中屬于試驗階段，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，SiCMOSFET將會在分布式發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要作用。

圖20 分布式發(fā)電系統(tǒng)圖Fig.20 Diagram of distributed generation system

4 結(jié)束語

針對SiC MOSFET的驅(qū)動電路進行了討論，介紹了一種新穎的諧振門極SiC MOSFET驅(qū)動電路。對SiC MOSFET過電流保護電路進行了研究，重點分析了去飽和檢測法和電感檢測法兩種過電流保護電路的工作原理和保護性能。最后介紹了SiC MOSFET在并網(wǎng)逆變器以及電力電子變壓器等并網(wǎng)裝置中的應(yīng)用?？傊?，SiC MOSFET在電力系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。