SiC-MOSFET开关特性及驱动电路的设计-刘仿

第５０卷第６期电力电子技术Ｖ〇１．５０，Ｎｏ．６２０１６年６月Ｐｏ袖ｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＪｕｎｅ２０１６ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ开关特性及驱动电路的设计刘仿，肖岚（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，江苏南京２１００１６）摘要：与硅（Ｓｉ）功率器件相比，碳化硅（ＳｉＣ）功率器件的掺杂浓度更高，禁带更宽，在高电压下导通阻抗更小，因此应用于大功率场合可以提高开关频率，减小变换器体积重量。根据ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的开关特性，设计了一种ＳｉＣＭ０ＳＦＥＴ的驱动电路，采用双脉冲电路对其开关时间、开关损耗等进行了实验测量，分析了不同阻值驱动电阻对ＳｉＣＭ０ＳＦＥＴ模块开关时间和开关损耗的影响。关键词：晶体管；碳化硅；开关特性；驱动电路中图分类号：ＴＭＮ３２文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１００Ｘ（２０１６）０６－０１０１－０４Ｓｗｉｌｃｔｉｔｅ＾ＣｂａｒａｃｔｅｆｉｓｔｉｃｓｏｆＳｉＣＭＯＳＦＥＴａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＤｒｉｖｉｎｇＣｉｒｃｕｉｔＬＩＵＦａｎｇ，ＸＩＡＯＬａｎ｛ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｅｗＥｎｅｒｇｙＧｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄＰｏｗｅｒＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆ＡｓｔｒｏｎｏａＵｉｃｓ９Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣｏｍｐａｒｅｄｔｏＳｉｌｉｃｏｎ（Ｓｉ）ｄｅｖｉｃｅｓ，ＳｉｌｉｃｏｎＣａｒｂｉｄｅ（ＳｉＣ）ｄｅｖｉｃｅｓｆｅａｔｕｒｅｓｈｉｇｈｅｒｄｏｐｐｉｎｇｄｅｎｓｉｔｙ，ｗｉｄｅｒｂａｎｄｇａｐ．ＴｈｅｓｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｍａｋｅＳｉＣｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｅｖｉｃｅｗｉｔｈｈｉｇｈｅｒｂｒｅａｋｄｏｗｎｖｏｌｔａｇｅａｎｄｌｏｗｅｒｏｎｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ，ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｓｗｉｔｃｈｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｈｉｇｈｐｏｗｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｎｄｎｉｍｕｍｃｏｎｖｅｒｔｅｒｖｏｌｕｍｅｓ．Ａｄｒｉｖ？ｅｒｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｄｏｕｂｌｅ－ｐｕｌｓｅｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒＳｉＣＭＯＳＦＥＴａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＳｉＣＭＯＳＦＥＴｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓｓｅｔｕｐｍｅａｓｕｒｅｄｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔｉｍｅ，ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｌｏｓｓａｎｄｆｕｒｔｈｅｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｉｖｅｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｏｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｓｗｉｔｃｈｉｎｇｌｏｓｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；ＳｉＣ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔＦｏｏｉｌｄａｄｗｉＰｒｏｊｅｃｔ：ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．５１３７７０８２）｛ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｎｏｖａ？ｔｉｏｎＴｅａｍＰｒｏｊｅｃｔｏｆＪａｎｇｓｕＬａｎＰｒｏｊｅｃｔ（Ｎｏ．ＱＬ２０１４０３）１引言近几年，各公司均推出了商业化生产的ＳｉＣｓｉｃ作为新型半导体材料，具有非常优越的材料特性，其禁带宽度约为Ｓｉ的３倍，因此ＳｉＣＳ冑，其驱动电路的设计和开关特性的研究成为，、、、件可提＾比Ｓｉ器件更高的耐压（１０￣１００倍严２】。点。文献［３－４］提出了在驱动电路外接三极管的方与相同功率等级的ＳｉＩＧＢＴ相比，ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ冑法和在输出端增加了两个开关管和一个二极測生电容更小，不存在电流拖尾，可提供更高的开关方法，但均存的频率（ｉｏ￣ｉｏｏ倍）和更髙的系统效率（损耗降低Ｓｉｅ：５〇％以上）。因此ｓｉｃ电力电子器件不仅适合髙端Ｍ〇ＳＦＥＴ麵动〒性’设计了ｆ足驱动要求的驱产品应用，且在节约＿方面具能大潜力。目前ｆｆＳｉＣＭＯＳＦＥＴ电子迁移率问题基本解决，开启紐的开关时间、开关损＾等动态特性，数进订了实的稳定性和紐工作的可靠性也得到提髙，预计在今后５￣１０年后，ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ氧化层技术将得到进一步改善，将成为ＳｉＣ电力电子的主流器件。２驱动电路设计＇＇—ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ对驱动要求较髙，主要体现在驱基金项目：国家自然科学基金（５１３７７０８２）；江苏省“青蓝工动电压和驱动速度上。一般Ｓｉ器件的驱动电压范程”（ＱＬ２０１４０３）围为－２０￣２０Ｖ，开启电压在２￣５Ｖ，ＳｉＩＧＢＴ功率定槁曰期：２〇１５－１１－０４器件的驱动髙低电平采用１５Ｖ／－５Ｖ，ＳｉＭＯＳＦＥＴ作者简介：刘仿（１９９１－），女，江苏淮安人，领士研究生，的驱动髙低电平采用１５Ｖ／０Ｖ或者１５Ｖ／－１５Ｖ，研究方向为功率电子变换与新能源发电。而在此研究的ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ，驱动电压范围为－６￣１０１第５０卷第６期电力电子技术Ｖ〇１．５０，Ｎｏ．６２０１６年６月ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＪｕｎｅ２０１６２２Ｖ。虽然其开启电压只有２．７Ｖ，并且随温度升迅速上升，较大的ｄｕ／ｄｔ使Ｖ，的米勒电容放电。米高而减小，但只有当驱动电压达到１８？２０Ｖ时，其勒电容的充放电电流通过栅极驱动回路，在栅极才能完全开通。故常规Ｓｉ功率器件的驱动电路不电阻上引起压降，该压降与驱动电源电压之和为能直接驱动ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ，其驱动条件如下：①１８￣Ｖ，栅极驱动电压，压降较大时影响Ｖ，的驱动电２０Ｖ的驱动电压。足够高的驱动电压才能使ＳｉＣ压，容易导致误导通或者超过驱动电压安全阈值，Ｍ０ＳＦＥＴ完全开通，减小其导通损耗；②负压关损坏功率开关管。同理Ｖ，的开关导致较大的ｄｕ／断，加快关断速度，并且防止栅极振荡引起的误开出也会影响Ｖ２的驱动电压。通；③提供栅极有源箝位电路，防止较大的开关速一度导致栅极电阻上的压降引起误开通；④驱动回；｜Ｖｌｌｌｊｇ＿？ｇ＿＿ｊｙ．ｊ＾Ｉ路寄生电感足够小，减小栅极振荡。ｎ、」既ｙ在设计驱动电路时首先考虑驱动电压，对驱ｌＬ．．￥，－＾Ｊ动损耗和驱动安全折中考虑，选择开通电压１８Ｖ，：＾ｖｚ｜＾关断电压为－２．５Ｖ。ＭＯＳＦＥＴ驱动芯片采用＾＾ＶａＬｊ＾ｊ；ＢＭ６１０４ＦＶ芯片，该芯片是一款集隔离和保护为｜（ｐ；一体，支持负压关断和栅极有源箝位电路的驱动‘芯片，但驱动能力较小，最大输出峰值电流５Ａ，？２栅极有源箱位电路原理图在高频工作下有严重的发热问题。所以后级连接２ＭｅａｅｔｉｖｅｅｌａｍｐｉｎｇＷｅｍａｔｉｅｄｉａｇｒａｍ功率放大芯片ＩＸＤＤ６０９。在此采用了栅极有源箝位电路，其工作原理为避免ＭＯＳＦＥＴ高速开关时米勒电流对栅极如图２所示，图中各开关管驱动逻辑波形如图３电压的影响，在此采用负压关断的栅极有源箝位所示，Ｖｗ和Ｖｉ为Ｎ沟道ＭＯＳＦＥＴ，正压开通，负电路，通过ＭＯＳＦＥＴ辅助管Ｖａ连接在驱动电路栅压关断；￥｜（）和丫？＿为Ｐ沟道ＭＯＳＦＥＴ，负压开通，极和负电源之间。根据以上分析设计得到的驱动正压关断。其中分别为上、下管驱动电路原理如图１所示。为防止驱动电压过高或过低造的辅助开关管，实现有源箝位功能。成ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ栅源极损坏，输出端加了两个限幅二极管ｖｄ２，ｖｄ３。ＶｌＬ——Ｎ——１！！！丨丨口——ｒｖ２Ｌｎ１ｉｉｉｉｉｉＩ５ｖＢＭ６１０４ＦＶ〇１８ＶｊｊＨ＊ＧＮＤＩＰＲＯＯＵＴ■—１，３口１ＶａＬ，．１１１１ａ—．ＯＳＦＢＶＥＥ２－，／？５ＬｖＣＣＶＣＣＪ＾７＾４ＴＴｔｌ，Ｒｌ－ｉｎｂＯＵＴＩＬ－ｊＯｊＩＮＶＤ２ＶｌＨＵ－■■＞■ＣＵ－ｒ－ＦＬＴＲＬＳＯＵＴＩｈＪ／ｘＩＴＮＣＯＵＴｐ－－ｇａｔｅ，■｜｜｜｜■■｜｜／－ＨＴ－ＶＣＣ１ＶＣＣ２＾Ｍ〇ｎｄｇｎｄ｜＊５，Ｖ２ＨＩＩ１１１１Ｉ１１Ｉ．Ｊ＾－．ＦＬＴＶＲＥＧ－－｜ＩＸＤＤ６０９Ｒ９ｈＪ，１－｜＾ＩＩ｜－Ｍ——＇ＪＵｌＩＮＡＯＵＴ２－士Ｉ＝？－Ｔ，ＶａＵＲ＼＼ＶａＨ｜ＩＩＩＩＩＩ｜｜｜｜，Ｃｌ４＝＇ＥＮＡＧＮＤ２１ＴＣｌ／？１〇Ｌｌｂｓ／〇ｌｉｔ！１３／４ｉｓｔ６／７／８／９／ｉ〇Ｔｆａｕｌｔ－Ｉ■ＴＥＳＡＶＥＥ２ｒ－１—１ＶＤ３ＬｊｊＧＮＤｌＳＣＰＩＮｌ１ｊ＿ｖ—￣图３栅极有源箝位电路驱动波形Ｆｉｇ．３Ｄｒｉｖｉｎｇｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｅａｔｅａｃｔｉｖｅｃｌａｍｐｉｎｅｃｉｒｃｕｉｔ图１ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ驱动电路Ｆｉｇ．１ＳｉＣＭＯＳＦＥＴｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ＊。叫阶段Ｖ，与Ｖ２均关断，Ｖ１Ｈ和Ｖ１Ｌ关断，３栅极有源箝位电路Ｖｍ和开通，和开通；由于桥臂电路的上、下管互补导通，并且存在Ｗ阶段Ｖ，’Ｖ２关断，幵通，Ｖｉ关断；死区时间，开关时较快的开关速度会影响互补ｆＷ阶段Ｖ，、餅关断，Ｖｚ开通，Ｖａ已关断，的驱动波形，桥臂上、下管之间的影响称为桥臂串稀响Ｖ２正常开通，由于Ｖ？＂備开通，而较大扰。而ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ的栅极电压安全阈值范围较的ｄｕ／ｄｉ引起的Ｖ，中的米勒电流经过流入负小且容易误导通，所以需要特别注意桥臂串扰问电源，此时Ｖ，的栅极电压仅为负电源和较小的题，防止损坏功率器件。Ｖｗ导通压降，所以Ｖ２开通对Ｖ，的影响可忽略；图２为桥式电路的一个桥臂。为桥臂上阶段＼＾保持关断，Ｖ２关断，Ｖ＆保持关管，Ｖ２为桥臂下管。桥臂串扰具体表现为当乂２开断不影响Ｖ２Ｅ常关断，由于Ｖｍ保持开通，而较通时，桥臂中点电压迅速下降，较大的ｄｕ／ｄｔ会引大的ｄｕ／ｄｔ带来Ｖ，中的米勒电流从负电源流过起Ｖ，的米勒电容充电；Ｖ２关断时，桥臂中点电压Ｖｍ，所以Ｖ２关断对Ｖ，的影响可以忽略；１０２ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ开关特性及驱动电路的设计阶段Ｖ，，Ｖ２关断，Ｖ＆开通，开通；关断，电感电流通过Ｖ，的反并联ＳｉＣ肖特基二极ｔ５￣ｔｌ。阶段ＳＶｉ开通，工作方式与Ｖ２同理，管续流，第２个脉冲信号期间，乂２再次开通，电感故乂，开关也不会对Ｖ２驱动电压波形产生影响。储能。高电平结束，Ｖ２关断。图４为ＳｉＣＭＯＳＦＥＴ工作在相同开关状态＾下，有无栅极有源箝位电路的驱动电路实验对比。关断时ＭＯＳＦＥＴ漏源极电压为１００Ｖ，开通时流｜过ＭＯＳＦＥＴ的电流为７Ａ，＆均为５１１。由图４ａ可￣￣｜Ｊ——见，Ｖ２关断时，Ｖ，的米勒电容放电，Ｖ２的栅极电压；上叠加负电压；Ｖ２开通时，Ｖ，的米勒电容充电，Ｖ２的栅极电压上叠加正电压，并且受丫２漏源极两端图６双脉冲测试％驱动电压波形电压的振荡影响较大，这样的驱动方式容易损坏Ｐｉｇ＿６Ｄｒｉｖｉｎｇｖｄｔａｇｅｗａｖｅｆ＿ｏｆＶ２器件。由图４ｂ可见，较为稳定，Ｖ２开通时乂：栅在第１个脉冲关断后，电感上电流达到测试极