用于直流變換器的SiC MOSFET 驅動電路設計

韓 芬，張艷肖，石 浩

（西安交通大學城市學院電氣與信息工程系，陜西西安 710018）

近年來，新型半導體功率器件碳化硅SiC（Silicon Carbide）MOSFET 因其具有寬禁帶、高開關頻率、高開關速度、熱穩定性好、熱導率高等優點，不但減輕了設備的體積和重量，同時也提高了電力電子變換器的性能[1-4]。研究學者針對SiC MOSFET 的開關特性，以及新型的電力電子功率器件在工程實際中的應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，工作頻率可高達兆赫茲級[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]。目前已廣泛應用在航天電力系統、新能源汽車、新型智能電網系統中[11]。

1 驅動電路的設計

SiC MOSFET 驅動電路的設計主要體現在驅動電壓及快速性上[12]。驅動電壓一般為-5～+24 V，但開啟電壓只有2.5 V，只有電壓達到18～20 V 時才能使SiC MOSFET 完全開通，高的開通電壓可減小開通損耗[13]。開關關斷時必須提供-5～-2 V 的負壓加快關斷速度，防止柵極振蕩引起的誤開通，增強抗擾能力[14-15]。柵極有源箝位電路，防止較高的開關速度導致柵極電阻上的壓降引起開關誤導通，驅動回路要求寄生電感足夠小從而減少柵極振蕩。因此設計時選擇+18 V的正向驅動電壓和-3 V的反向關斷電壓。

該文采用ACPL-336J 光耦隔離實現控制信號和主電路的隔離[16]，如圖1 所示，該芯片5 V 供電，控制信號接7 引腳，8 引腳接地，雙電源供電時，12 引腳接正壓18 V，9 和16 引腳VEE2 接負壓-3 V，13 引腳VE為正負電源的地。14 引腳通過電容接地，11 引腳通過電阻R2輸出驅動信號。

圖1 ACPL-336J外圍電路圖

圖2 為驅動芯片IXDN609 的外圍電路圖，1 和8引腳接18 V 電源，驅動信號從2 引腳輸入，4 和5 引腳接地，6 和7 引腳通過驅動電阻Rd輸出SiC MOSFET的柵極驅動波形。圖3 為驅動電路的完整電路圖。

圖2 IXDN609的外圍電路圖

圖3 驅動電路圖

2 雙脈沖測試電路設計

雙脈沖測試電路[17]如圖4（a）所示，SiC 肖特基二極管SCS210KE2 作為續流二極管，SCT2080KE 作為功率開關管，電感L取0.5 mH，Rd為門極驅動電阻。圖（b）為雙脈沖驅動波形，其中T1為9 μs，T2為2 μs，T3為1 μs。

圖4 雙脈沖測試波形

在軟件PSpice 中搭建雙脈沖測試電路的仿真模型，T1時刻開關導通，電感電流線性上升。T2時刻開關關斷，電流通過SCS210KE2 續流。T3時刻開關再次導通，SCS210KE2 反向恢復。開關導通時漏源極電壓為0 V，關斷時為電源電壓400 V，仿真結果如圖（c）和圖（d）所示。

3 驅動電阻對開關特性的影響

驅動電阻分別取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以及開關損耗如圖5 所示，結果顯示SiC MOSFET 開通和關斷時間隨著驅動電阻的增大而增加，但波形震蕩卻隨之減小。開關損耗為VDS與ID的乘積[18]，從仿真結果可知開關損耗隨著驅動電阻增大而增大。因此選擇5 Ω的驅動電阻，在損耗小的情況下確保開關在高頻下安全穩定工作。

圖5 不同Rd時開關波形

4 頻率對開關特性的影響

當頻率為50 kHz、100 kHz、200 kHz、400 kHz、500 kHz 時對驅動電路進行仿真，對比不同頻率下SiC MOSFET 的開通過程。從圖6 的仿真結果可知，頻率越高開關時間越短，但頻率越高串擾問題越嚴重，導致開關誤導通。

圖6 SiC MOSFET開通過程對比圖

5 SiC MOSFET和Si IGBT對比

在直流變換器中使用電壓等級相同的SCT2080 KE 和IKW08T120，對比開通和關斷過程，如圖7 所示，SiC MOSFET 比Si IGBT 開關時間短。圖8 所示SiC MOSFET 在直流變換器中的仿真結果，當頻率為100 kHz，輸入電壓為100 V，占空比分別為0.5 和0.9時，VGS、VDS以及輸出電壓Uo的波形[19]。

圖7 SiC MOSFET與IGBT開關時間對比

圖8 不同占空比時電壓波形

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%測量的負載電壓Uo的值，從表中測量結果可知占空比50%左右時，輸出電壓誤差最小，占空比太大或者太小時，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輸出電壓對比表

6 結論

該文設計了一種用于直流變換器的SiC MOSFET驅動電路，利用雙脈沖電路測試不同驅動電阻、不同頻率對SiC MOSFET 開關特性的影響。在直流變換器中對電壓等級相同的SiC MOSFET 和Si IGBT 比較開關時間的長短以及輸出電壓的大小，結果顯示SiC MOSFET 開關特性優于Si IGBT，高頻下SiC MOSFET的開關速度更快，負載電壓誤差更小。該研究為SiC MOSFET 的實際應用奠定了基礎。同時對本科電力電子實驗與實訓教學環節具有學習指導意義。