一种SiCMOSFET驱动保护电路的设计

刘峰兵

摘要：相比于同等级的Si MOSFET，SiC MOSFET因具有更高速的开关特性和更小的导通损耗而具有极大地应用优势。但是，SiC MOSFET更小的门极电容和更小的门极耐压范也使得其在应用时提出了更大的挑战。本文在分别对SiC MOSFET的开通关断过程进行分析之后得出其安全可靠驱动的要求，研究适用于SiC MOSFET的驱动保护电路，进行LTspice仿真验证，分析了施加不同外部电容和不同驱动电阻对SiC MOSFET开关特性的影响，同时对保护电路的功能进行了PSpice仿真验证。

关键词：SiC MOSFET；驱动电路；过流保护

SiC MOSFET 作为新一代的宽禁带半导体器件，由于其高耐压、高工作温度、高开关频率和低导通阻值所以具有更优越的性能。高开关频率也提高了功率转换器的功率密度[1]。对比其相同等级的高压Si MOSFET，SiC MOSFET在高频区域工作时产生更低的开关损耗。为了能够充分地利用SiC MOSFET的高频特性，一种可靠稳定的驱动保护电路的设计是十分必要的。

本文在分别分析SiC MOSFET的开通关断过程之后得到其安全可靠驱动的要求，在已有的成熟电路拓扑结构基础之上进行改进，研究适用于SiC MOSFET的驱动保护电路，分析了施加不同外部电容和不同驱动电阻对SiC MOSFET开关特性的影响，同时对保护电路的功能进行了仿真验证。

1 SiC MOSFET特性及驱动要求

设计驱动电路时，主要考虑SiC MOSFET 的开通及关断两个过程。因为SiC MOSFET的开启电压低且内部具有较大的门极电阻，因此由高开关频率所引起的高dv/dt会对应用于半桥结构的SiC MOSFET会造成严重的桥臂直通的串扰问题。在关断瞬间，由于负向最大耐压较小，串扰问题会造成SiC MOSFET门极电压超过其负向耐压最大值而损坏。

基于以上SiC MOSFET的开通关断特性的分析得出其驱动电路的要求主要有以下几个方面[2]：第一、触发脉冲应该有比较快的上升速度和下降速度，脉冲沿要陡；第二、驱动回路阻抗不应太大，开通时能够对栅极电容迅速充电，关断时栅极电容可以迅速放电；第三、驱動电路需要提供足够大的电流；第四、需要提供足够大的驱动电压以降低SiC MOSFET的导通损耗；第五、关断时驱动可以提供负压用来防止误导通，增强抗干扰能力；第六、驱动电路应尽量靠近SiC MOSFET以降低驱动回路寄生电感。

2 驱动电路设计

由于SiC MOSFET的阻断电压大于1kV，因此需要使用隔离型的驱动器。为了实现控制信号与主功率回路之间的隔离，需要采用隔离驱动。本次驱动电路信号的隔离采用光纤HFBR2522实现，光纤隔离电压可以达到5kV以上，完全可以满足隔离要求。而电源的设计使用了金升阳模块来为此次驱动电路的供电。

本次设计中的驱动电路使用驱动芯片IXDN609SI来搭建，该款芯片的供电电压范围宽，可以从4.5V到35V之间选择，并且峰值驱动电流最大可以到达9A，其驱动能力完全达到本次使用的SiC MOSFET的要求。为了防止栅极电压的波动过高或过低，在驱动的输出级增加了由D2和D3组成的限幅电路，同时配置了由D4和D5组成的栅极有源箝位电路。驱动电路如图1所示。

3 保护电路设计

相比于同等级的IGBT，由于本身更小的芯片面积和更高的电流密度，SiC MOSFET可以承受的短路时间更短。根据文献[3]，对于1200V/33A SiC MOSFET在母线电压为600V下发生硬短路故障时，器件失效大约发生在故障出现的13us之后。但是器件在发生短路故障之后的5μs就产生明显的漏电流，这说明SiC MOSFET已经发生了短路故障。

本次保护电路采用分流器检测的方法，检测电路主要由高速比较器LM319为核心，当检测值大于设定的阈值电压时比较器翻转，将控制信号封锁，关断SiC MOSFET。本文采用分流器检测和退饱和检测相结合的方式。当SiC MOSFET正常开通关断时，比较器输出为低电平状态。而在发生过流故障时，比较器输入端电压升高，当大于检测阈值电压时比较器翻转输出高电平。此时将PWM输入信号拉低，使SiC MOSFET始终处于关断控制信号之下，直到排除故障。检测保护电路如图2所示。

利用PSpice软件模拟双脉冲实验对过流保护电路进行仿真。图3为退饱和检测仿真曲线，母线电压VDS=100V，负载电感L=30uH。MOS管在t=5μs时导通，ID以一定斜率开始上升，当t=10μs 时，VDS大于9.6V，检测电平翻转，由低电平变为高电平。图4为分流器检测仿真曲线，分流器阻值为5毫欧，差分放大比例为50：1，设定过流阈值为12A。MOS管在t=5μs时导通，当t=12μs时，检测输入信号大于阈值，检测电平翻转，由低电平变为高电平。

4 驱动电路仿真验证

为了验证本次设计的驱动保护电路的性能，将本次设计的驱动电路通过PSpice仿真验证，母线电压VDS=600V，负载电感L=500uH。将上半桥的SiC MOSFET加负压关断，仅仅利用上管的续流二极管，对下管的栅极施加双脉冲信号获取SiC MOSFET在开通关断过程中的主要参数。仿真验证如图4所示，开通时驱动电阻RG为10Ω并且在栅源极并联2.2nF电容，关断时的驱动电阻RG为5Ω和在栅源极并联2.2nF电容。

通过分析开关波形得出驱动电阻越小，SiC MOSFET开关速度越快。但是驱动电阻越小栅极电压VGS，漏源极电压VDS和源极电流ID的振荡越明显，而且振荡幅度越大。为了降低振荡，优化开关波形，可以在栅源极间并联一个2.2nF电容适当降低开关速度。

5 结论

本文设计了一种 SiC MOSFET 专用驱动电路，并研究器件的过流保护电路，通过PSpice仿真可知该电路对器件的保护非常有效。并通过仿真实验选择选取适当的驱动电阻及外接电容。

参考文献：

[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.