SiC BJT的单电源基极驱动电路研究*

张　英，王耀洲，陈乃铭，徐华娟，秦海鸿

（江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，南京航空航天大学，南京211100）



SiC BJT的单电源基极驱动电路研究*

张英，王耀洲，陈乃铭，徐华娟，秦海鸿*

（江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，南京航空航天大学，南京211100）

摘要：探究SiC BJT基极驱动电路拓扑，对SiC BJT基极驱动电路损耗的构成进行了分析和对比，提出单基极电阻和阻容网络两种单电源基极驱动方案，对开关速度进行了对比。针对单电源阻容网络驱动方案，对其关键电路参数进行了分析，并针对一款SiC BJT器件给出了优化的参数组合设计结果，实验测试得出驱动1 200 V/6 A SiC BJT驱动损耗为3.85 W，该驱动电路优势明显，并具有进一步优化的空间。

关键词：电力电子技术；碳化硅双极型晶体管；定量实验；单电源驱动；阻容网络；低损耗

项目来源：国家创新训练项目（20141028701703）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（NZ2013307）；南京航空航天大学青年科技创新基金（理工类）项目（NS2015039）

基于硅Si半导体材料的功率器件的性能逐渐接近材料理论极限，难以通过技术革新和工艺改进获得器件性能的大幅度提升［1］，以碳化硅SiC（Sili⁃con Carbide）为代表的宽禁带半导体材料应运而生［2］。硅基BJT（Bipolar Junction Transistor）由于电流增益较低导致驱动损耗很大，尤其是在较高额定电流情况下更是如此。开关工作时会带来较高开关损耗和较大的器件动态阻抗，这两方面因素会影响器件的可靠性，且硅基双极型晶体管存在严重的二次击穿问题。而SiC BJT不存在这样的问题，碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，可产生更大的电流增益，以及更低的驱动损耗，大大提高BJT的效率。而且碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍，因此器件不易受到热击穿影响，可靠性大大提高［3］。在目前已经商业化的SiC功率器件中，SiC MOSFET存在栅极氧化层可靠性问题，SiC JFET存在温度系数偏大等问题［4］，SiC BJT不存在这些问题，具有良好的应用前景。然而，SiC BJT比SiC MOSFET、SiC JFET有更大的驱动损耗，驱动电路结构与参数对驱动损耗、开关速度、开关损耗有较大影响，因此驱动电路设计是SiC BJT能够成功应用的关键技术之一。

1　SiC BJT基极驱动功率损耗

在设计SiC BJT的基极驱动电路时，通常考虑3个部分的功率损耗［5］：

（1）第1部分功率损耗PBE与基-射极间压降有关。

式中，IB（AV）表示平均基极电流，VBE（SAT）表示基-射极间的压降。

（2）第2部分功率损耗PSB是SiC BJT每次开通瞬间对基极电容充电引起的驱动功耗。

式中，QB表示基极电容电荷值，fs表示开关频率。

由于SiC BJT的基-射极的极间电容非常小，因此这部分功耗非常小。

（3）第3部分损耗在电源电压产生基极电流iB的过程中产生。图1所示SiC BJT单电源基极驱动电路示意图，该电路中开关与电源相连，SiC BJT与开关之间通过一个基极电阻相连。通过调节基极电阻RB，可以获得所需的基极电流，显然这种方法产生的功耗包括左侧图腾柱结构的电阻RDRV上的功耗和基极电阻RB上的功耗，计为：

式中，IB（RMS）表示基极电流的均方根值。

图1　SiC BJT单电源单基极电阻驱动电路

通过对这3部分功耗的分析，可见由基极电容充电造成的功耗PSB只取决于开关频率、基极电容和基-射极间的压降，不受基极电流和电源电压大小的影响，即不受基极驱动电路结构的影响。而另外两部分功耗PBE和PR则受到基极电流的影响。对于PBE来说，在负载电流确定以后，所需的基极电流值也就确定了，而在不同的电源电压下，可以通过调整基极电阻来得到需要的基极电流。因此，PBE在不同电压下也可以认为是恒定的。SiC BJT基极驱动电路的功率损耗中，PBE占主要部分且与驱动电路结构和参数设计关系密切。所以在设计基极驱动中，必须要设法降低这部分功耗来获得最高的效率。

2　单电源基极驱动

SiC BJT的单电源基极驱动电路由单一电源供电，包括两种类型：一种仅使用一个基极驱动电阻，如图1所示；另一种在第一种的基础上加入加速电容与基极电阻并联来提高开关速度，如图2所示。

图2　SiC BJT单电源阻-容驱动电路

以下针对1.2 kV/6A SiC BJT给出两种基本驱动电路的测试对比。表1给出SiC BJT的基本电气性能参数。理论上，基极电流为250 mA即能驱动额定电流为6 A的SiC BJT，实验中为了确保SiC BJT具有较低的导通压降，基极电流设定为320 mA。

表1　不同温度下SiC BJT基本电气性能

2.1单基极电阻

如图1所示，为单电源单基极电阻驱动电路。基极电流设置为320 mA，基极和发射极间的压降约为3 V［6］，平均基极电流IB（AV）按通过占空比为0.5的基极电流计算，RDRV取为0.7 Ω，开关频率设置为100 kHz［7］。由前面分析可以得到各部分的功率损耗，表2给出了不同电源电压下的功耗和所需的基极电阻阻值的计算结果。由表2可见，5种情况中电源电压为5 V、基极电阻为5.6 Ω时的驱动功耗最小［8］。

表2　不同电压下，单电源单基极电阻驱动SiC BJT驱动损耗

图3给出采用双脉冲电路测得的开通和关断波形，可以看到开关时间大于手册上给出的典型值，开通时间tON约为350 ns，关断时间tOFF大于100 ns。造成开关速度较慢的原因是基极电容充放电速度较慢，特别是在开通过程中，RC时间常数较大，且电路板存在的寄生电感，导致基极电容充电时间变长。

图3　采用单基极驱动电阻时SiC BJT的开关波形

2.2电阻-电容网络

如图2所示，采用加速电容与基极电容并联来提高开关速率。在SiC BJT开通瞬间，基极电容充电到（VCC-VBE（SAT）），从而为基极电流提供一个低阻抗路径，使基极电流迅速上升，加快基极电容的充电速度。在SiC BJT关断瞬间，电容CB会在基-射极间提供负压来加快关断过程。但是，在SiC BJT关断之后，电容CB需要一定的时间来放电，从而限制了电源电压的占空比，并且由于电路中存在寄生电感，会与电容形成LC谐振，这些都是这种电路不足的地方。

增加电容CB也会造成额外的功率损耗，每次开通时VCC为CB充电，关断过程中，其储存的能量会在驱动电阻RDRV，阻尼电阻RDP和基极-发射极结中释放。这部分功耗为：

加速电容的取值通过需要的基极电流尖峰值来确定。通过PCB的计算和表2得到的结果，可以得到基极驱动电路总损耗。表3中给出不同电源电压下的功率损耗。和表2中结果相似，在电源电压为5 V时，SiC BJT基极驱动电路功耗最低。

在单基极电阻驱动电路基础上，在基极电阻两端并联了一个68 nF的电容。对开关特性进行了测试。图4（a）为开通过程中的VCE和IC，基极电流尖峰达到了1.3 A，开通时间降低为110 ns左右。图4（b）为关断过程中的VCE和IC，关断时间缩短为45 ns。

表3　不同电压下，使用单电源阻容网络驱动SiC BJT的驱动损耗

图4　应用阻容网络时SiC BJT的开关波形

3　SiC BJT单电源基极驱动电路设计

3.1单电源驱动电路

图5给出SiC SJT的单电源驱动电路原理图，基极驱动信号通过光耦隔离进入基极驱动集成芯片IXDN614来控制基极电压的高低。

电路构成如下：

（1）光耦隔离将驱动信号与SiC BJT的基-射电压隔离，保证整个电路的安全，提高驱动电路的可靠性。

（2）IXDN614是一款常用驱动芯片，输入端IN输入的驱动信号来控制其输出Vo高低。输出Vo为高电平时和SiC BJT驱动电压VCC相等，输出低电平时Vo为0 V。驱动芯片的驱动电源VCC端需要足够的耦合电容（>470 μF）来保证输出端Vo的稳出。

（3）驱动芯片和SiC BJT基极之间是一个由基极电阻R1和电容C1构成的阻容网络，可以对流入SiC BJT基极的电流进行控制：R1可以调节稳态时的基极电流，C1可以调节开通瞬间电流，这个瞬态电流可以对SiC BJT内部的极间电容迅速充电，使其快速导通。阻容网络的存在可以提高SiC BJT的开关速度，降低SiC BJT的开关损耗和驱动损耗。

（4）在驱动电路中还需要加入扼流线圈，从而降低电源输入和基极驱动输入和输出电路中的共模噪声。

图5　单电源基极驱动电路原理图

3.2驱动电路参数的选择

（1）电容C1的参数选择

图6为SiC BJT一个开关周期内的基极电流波形，在开通瞬间，栅极电流出现电流尖峰，然后进入稳态；关断瞬间，电流出现负向峰值然后降为零。

开通瞬间电容C1上的电压突然变化对其充电，产生电流尖峰，从而加快SiC BJT的极间电容的充电速度，加快其开通速度。在关断瞬间，负向电流尖峰使SiC BJT的极间电容迅速放电，加快其关断速度。

图6　1 200 V/6 A SiC BJT的基极电流波形

图7给出Vo不变时，C1从0 nF（只有R1存在时）增加到100 nF时，栅极电流峰值的变化情况。可以看到C1越大，瞬时电流尖峰越高。当电容值超过10 nF以后，关断时的基极电流峰值增幅很小，当电容值超过20 nF之后，开通时的基极电流峰值增幅会变得很小。

图8给出C1从0到100 nF变化时，SiC BJT开通、关断时间的变化情况。可以看到增大基极电流尖峰峰值会降低SiC BJT的开通和关断时间，但在C1>18 nF之后，开关时间基本稳定，变化很小。

C1在优化SiC BJT的开关时间的同时，不可避免的也会影响系统的功耗，一方面，C1的大小会影响器件的开关损耗Eon和Eoff。图9给出了C1与SiC BJT开关损耗的关系曲线，可以看到在C1=9 nF时开关损耗最小，在此基础上增大或减小C1的值都会增大开关损耗。另一方面，过大的电容值也会造成较大的驱动损耗，式（5）给出C1充电的功率损耗计算方法：

式中，fs表示频率，Vo表示驱动输出电压，VBE表示SiC BJT基射之间的压降。

图7　基极电流峰值IB（pk）与基极电容C1的关系曲线

图8　SiC BJT上升时间tr和下降时间tf与基极驱动电容C1的关系曲线

图9　SiC BJT开关能量损耗与基极驱动电容C1的关系曲线

综上所述，C1会对SiC BJT的开关损耗和驱动损耗，以及SiC BJT的开关速度产生影响。在选择C1时要尽可能的降低开关损耗和驱动损耗同时获得足够快的开关速度。对于此SiC BJT器件一般选用C1=9 nF。

此外，基极驱动电路和SiC BJT的基极都会存在寄生电感，可能会与电容C1产生谐振。此时，可以使用一个1 Ω左右的无感电阻与C1串联来削弱振荡。

（2）基极电阻R1的选择

通过基极电阻R1可以调节稳态时的基极电流，即图7中的IB（av）。式（6）给出SiC BJT基极稳态电流的计算方法：

式中，VBE（on）表示导通时SiC BJT基射压降，VBE（on）≈4 V。

SiC BJT作为开关器件使用时，要求其工作在饱和区。这就要求栅极电流要足够高，最好能使SiC BJT处于过驱动的状态，令其集-射电压VCE下降到足够低，使SiC BJT达到最好的开通性能。这可以看作是要求其电流增益较低，或者说强迫电流增益βF在12<βF<15的范围之内。

图10给出额定电压为1 200 V的SiC BJT在驱动电压Vo=15 V时，基极驱动电阻R1的最佳选值与电流定额的关系。

图10　基极电阻优化值与电流定额的关系曲线

（3）基极驱动电压Vo的参数选择

基极驱动电压Vo也会影响SiC BJT的性能，SiC BJT的基射结需要3 V~4 V左右的电压才能导通，这就要求基极驱动能提供足够高的电压。同时由式（6）可知，Vo的大小也会影响到SiC BJT导通稳态时基极电流IB（av）的大小。

图11给出基极电压Vo对SiC BJT开关时间tr、tf和开关损耗Etot的影响。可以看到在R1、C1固定的情况下，随着Vo的升高，SiC BJT开关时间tr、tf和开关损耗Etot呈现出近似线性下降的趋势。因此Vo越高，SiC BJT的开关性能更好。

图11　BJT开关时间及开关能量与驱动电压Vo的关系曲线

但是从式（5）的驱动损耗来看，在其他条件不变时，随着Vo的增大，Pdrive（sw）也会随之变大。

电路设计人员在参数选择时需要权衡对器件开关速度的要求和驱动功率损耗要求，来选择合适的Vo。对于文中所用的1 200 V耐压SiC BJT来说，Vo取为15 V比较合适。

3.3功率损耗计算

由上分析，表4给出驱动1 200 V/6 A的SiC BJT的最佳驱动参数组合。

表4　驱动1 200 V/6 A SiC BJT最佳参数组合

表5给出使用最佳驱动参数的单电源基极驱动电路的损耗情况，其中占空比D=0.7，f0=500 kHz。

表5　最佳驱动参数下的驱动损耗情况

表5中，Pdrive（ss）表示稳定状态时的驱动损耗；Pdrive（sw）表示C1充电损耗；PBJT（SW）表示BJT的开关损耗。

对于稳态驱动损耗Pdrive（ss），稳态时的电流、电阻等影响损耗的因素相对稳定，其主要受到驱动信号的占空比D的影响。对于开关损耗（Pdrive（sw）和PBJT（sw））来说，主要取决于开关频率和驱动电路的拓扑结构。

图12给出在D=0.7时，随着频率增大，基极驱动损耗的变化情况。从f>70 kHz开始，PBJT（sw）占较大比例，这时与驱动相关的器件损耗随着开关频率的增长近似呈线性增长。

图12　驱动相关的器件损耗与开关频率的关系曲线

4　结论

文中对SiC BJT单电源驱动电路进行了研究，给出损耗分析计算，对主要参数给出优化选择方法，并采用优化参数组合，对功率损耗进行了讨论。从而为SiC BJT驱动电路的进一步优化设计提供了基础。

参考文献：

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张英（1993-），男，电气工程及其自动化专业本科生，研究方向为先进功率电子变换技术，861075281@qq.com；

徐华娟（1986-），女，硕士，助理实验师，研究方向为电力电子技术在智能电网中的应用，xuhuajuan@nuaa.edu.cn；

秦海鸿（1977-），男，博士，副教授，研究方向为功率变换技术、电机控制、新器件应用研究，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

中图分类号：TN432

文献标识码：A

文章编号：1005-9490（2016）01-0026-06