SiC MOSFET驱动及保护电路设计

2019-03-26柳舟洲

微电机 2019年12期

柳舟洲

(西安微电机研究所，西安 710077)

0 引言

SiC(碳化硅)是一种由硅(Si)和碳(C)构成的宽禁带半导体材料，绝缘击穿场强是Si的10倍，带隙是Si的3倍，被认为是一种超越Si 极限的功率器件用材料。SiC材料绝缘击穿场强高，使制做高耐压SiC MOSFET时能提高杂质浓度和降低漂移层的厚度。因此既能提高SiC MOSFET的器件耐压又能得到单位面积导通电阻非常低的特性。SiC 材料的高耐压低导通电阻特性使SiC器件可以采用MOSFET的高频化器件结构，而不受器件耐压问题的制约，从而同时实现“高耐压”、“低导通电阻”、“高频”这三个特性[1]。

SiC MOSFET器件的高频化意味着驱动电路回路易受寄生参数的影响，Vgs波形振荡，Vds过冲严重。文献[2]设计了一种新型驱动电路，对Vds的过冲有很好的抑制，但电路参数设计复杂。文献[3]设计了SiC MOSFET的驱动电路，但未研究短路保护问题。本文在充分研究SiC MOSFET开关特性和短路特性的基础上设计了一种驱动保护电路。通过双脉冲实验测试了开关时间和开关损耗，并验证了驱动参数的合理性，最后通过桥臂直通短路实验，验证了短路保护电路的有效性。

1 SiC MOSFET的基本特性

1.1 门极驱动电压

SiC MOSFET的沟道部分的阻抗比Si器件要高，因此门极电压越高可以得到越低的导通电阻Rdson,其门极电压与导通电阻的关系特性和IGBT相似。 SiC MOSFET为了充分发挥其低导通电阻特性，一般推荐使用Vgson=15～18 V驱动，但Si CMOSFET导通阈值电压较低，一般在2～3 V，而IGBT在5～7 V，因此，需要负压关断来保证不会被误触发，一般Vgsoff=-4 V左右。

1.2 Vds/Id特性

SiC MOSFET的Vds/Id特性与IGBT不同，不存在开启电压，所以从小电流到大电流的宽电流范围内都能够实现低导通损耗。并且与Si MOSFET相比， SiC MOSFET温度升高时，导通电阻的上升率比较低，热特性优异，且高温下的导通电阻也很低。

1.3 低开关损耗

在SiC MOSFET开通时，由于续流二极管在反向恢复时不存在少数载流子清除的过程，反向恢复电流小，且恢复迅速，不受正向电流和温度的影响，因此开通损耗小。

Si 材料器件，当提高器件耐压，单位面积的导通电阻相应变大。IGBT 一般通过电导率调制，向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，降低导通电阻，但是同时由于少数载流子的积聚，在关断时会产生拖尾电流，从而造成极大的关断损耗。SiC 器件漂移层的阻抗比Si 器件低，不需要进行电导率调制就能够实现低阻抗，不产生拖尾电流，因此关断损耗小。

综上所述，针对SiC MOSFET的基本特性，对其驱动和保护电路的设计提出以下要求：(1)驱动能力满足要求，要能够提供足够的驱动功率和驱动电流。(2)合理设置门极驱动电阻和Cgs电容，适当增大开关时间，减小di/dt和du/dt，降低电路寄生参数带来的桥臂串扰问题。(3)由于SiC MOSFET的导通阈值电压很低，为保证器件可靠关断，必须采取负压关断来抑制桥臂串扰。(4)PCB布局合理，减小驱动回路面积，避免门极电压振荡。

2 SiC MOSFET的驱动电路设计

2.1 信号隔离电路设计

高压功率回路和控制回路之间为了保证低压控制信号不被干扰，以及为了满足安规的要求，驱动PWM信号，反馈的故障保护信号均需要做隔离处理。常用隔离方式主要有：光耦隔离，脉冲变压器隔离，光纤隔离。其中光耦隔离主要用于1200 V以下等级的功率器件，脉冲变压器较之光耦隔离可以实现更高的隔离电压，传输延时小，且不存在老化问题。脉冲变压器隔离要求脉冲占空比小于50%，存在磁饱和的限制，需要较为复杂的调制解调电路。光纤隔离用于3300 V以上的功率器件，隔离电压更高。

本设计中采用TI公司的高速、高隔离、抗干扰的双通道数字光耦ISO7721。温度范围达-55°C到+125°C，供电电源范围2.25 V到5.5 V，低功耗等优良特性。两路隔离通道，输入端具有施密特特性，对输入信号进行滤波整形，提高抗干扰性能。

图1 信号隔离电路图

2.2 驱动放大电路设计

PWM信号经过光耦ISO7721隔离后，再输入到高压侧。由于光耦副边的电压供电为-4～0 V，所以通过三极管Q1将PWM信号电平变为-4～+15 V，满足IXDI609SI的电平要求。

IXDI609SI为专用于MOSFET的门极驱动放大器件，驱动电流最高达9 A，驱动电压上升和下降时间小于25 ns。MOSFET栅极和源极以及源极与负电源之间加电容，抑制门极驱动波形的振荡。

图2 驱动放大电路图

2.3 保护电路设计

传统IGBT短路特性[4]和SiC MOSFET相似，因此两者的退饱和特性也类似，但是SiC MOSFET退饱和检测电路的检测时间要求更短，通常在1.5 μs至2 μs之间。图3为SiC MOSFET短路检测电路，D2为快恢复高压阻断二极管，C14为充电定时电容，常用来作为“Blanking Time”[5]，稳压管D4钳位充电电压。

图3 短路退饱和检测电路

当SiC MOSFET导通时，Vgs电压+15 V，Vds电压为0V，D2和D3处于导通状态，此时Va点的相对负电源电压为4.7 V，Vb点电压为R17和R18分压，为1.6 V，设置比较器反向端参考电压为3 V，比较器不动作。当发生短路时，SiC MOSFET发生退饱和，Vds电压增大，假设Vds电压上升到4.3 V时比较器翻转，则此时Va点电压为9 V,VC14可以根据以下式(1)计算得到。

(1)

通过合理配置R17和R18的电阻值，当Vb点电压大于3.7 V时，比较器即可翻转，报出短路故障。

3 实验结果

根据本文设计的SiC器件的驱动电路，搭建了双脉冲平台[6]，对驱动电路参数进行测试，其中Rgon=9 Ω，Rgoff=18 Ω，测试对比了Cgs为1 nF和2 nF下管子开关波形，优化驱动参数；并且做了桥臂直通短路测试。下表1为双脉冲实验参数。

表1 双脉冲实验参数

图4 双脉冲测试电路图

图5 双脉冲测试波形图

图6～图9，对比了Cgs为1 nF和2 nF时，第2个脉冲的开通和关断时间，其开关时间分别为Ton=88 ns、Ton=184 ns，Toff=124 ns、Toff=260 ns，可见Cgs=2 nF时开关时间增加为原来的2倍，与理论符合；由于SiC器件开通阈值电压低，开关变慢，Vds变化相对减缓，振荡小，对上管Vgs造成的串扰振荡也减小，避免误触发。

图6 Cgs=1 nF开通波形图

图7 Cgs=2 nF开通波形图

图8 Cgs=1 nF关断波形图

图9 Cgs=2 nF关断波形图

图10～图13，对比了Cgs为1 nF和2 nF时，第2个脉冲的开关损耗，Math值为Vds与Id的乘积，通过计算Math曲线的面积，其损耗分别为Eon=0.4 mJ、Eon=0.5 mJ，Eoff=0.128 mJ、Eoff=0.15 mJ，可见Cgs=2 nF时，虽然开关时间增大一倍，但Eon和Eoff变化不大，这完全得益于SiC器件开通时反向恢复时间短，关断时无拖尾电流的良好特性。