第三代電力電子半導(dǎo)體SiC MOSFET：聚焦高效驅(qū)動(dòng)方案

第三代電力電子半導(dǎo)體SiC MOSFET：聚焦高效驅(qū)動(dòng)方案

相比傳統(tǒng)的硅MOSFET，SiC MOSFET可實(shí)現(xiàn)在高壓下的高頻開關(guān)。新能源、電動(dòng)汽車、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，SiC MOSFET（碳化硅-金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）憑借高頻、高功率、低損耗等卓越性能，SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)方案備受關(guān)注。然而，SiC MOSFET的獨(dú)特器件特性，也意味著它們對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路有特殊的要求。

本文將圍繞SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)方案展開了解，其中包括驅(qū)動(dòng)過電流、過電壓保護(hù)以及如何為SiC MOSFET選擇合適的驅(qū)動(dòng)芯片等。

SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)

1、過電壓保護(hù)

a) 漏源極過電壓保護(hù)

SiC MOSFET 在實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用時(shí)，漏源極發(fā)生過電壓，一般情況有以下兩種：

第一種是在電動(dòng)汽車、電力系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)景。

當(dāng)母線電壓較高且不穩(wěn)定時(shí)，電力電子變換裝置主電路的電壓就會(huì)超過了 SiC MOSFET 漏源極的額定電壓，從而導(dǎo)致器件擊穿損壞。

因此在實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用時(shí)，為確保安全，需要考慮預(yù)留有一定的裕量。

第二種是發(fā)生在SiC MOSFET 關(guān)斷時(shí)，漏極電流變化率 di/dt 會(huì)比較高，這種高速變化，會(huì)在電路回路寄生電感上產(chǎn)生電壓，并與母線電壓一起疊加在 SiC MOSFET 漏源極兩端，這會(huì)導(dǎo)致 SiC MOSFET 漏源極電壓產(chǎn)生較大的電壓過沖，嚴(yán)重時(shí)會(huì)超過器件的安全電壓，導(dǎo)致 SiC MOSFET 器件損壞。

因此，直流母線電壓不穩(wěn)定，以及漏源極電壓過沖是產(chǎn)生漏源極電壓過電壓的主要因素。

為了保護(hù)器，以及變換器安全運(yùn)行，目前在一些大功率場(chǎng)合，人們常常使用的漏源極過電壓保護(hù)措施是：

1.針對(duì)直流電壓不穩(wěn)定：采取降低額定電壓使用方法；

2.針對(duì)回路中雜散電感，與電流變化較大引起的過電壓：常采用無源緩沖電路或者有源箝位電路進(jìn)行保護(hù)。（圖為RC 緩沖電路）

b）柵源極過電壓保護(hù)

SiC MOSFET（碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）柵源極過電壓的主要原因可分為以下兩點(diǎn)：

1. 驅(qū)動(dòng)電路性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致輸出電壓超過了柵源極電壓；

2. 當(dāng)SiC MOSFET應(yīng)用于橋式電路時(shí)，在某一開關(guān)管的開關(guān)瞬態(tài)下，另一開關(guān)管的柵源極電壓，可能超過柵源極開啟電壓或負(fù)向安全電壓。

為確保SiC MOSFET的正常運(yùn)行，一般需將其柵源極電壓控制在-10至25V的范圍內(nèi)。若電壓超出這一范圍，可能會(huì)導(dǎo)致SiC MOSFET遭受永久性損壞。

為避免此類情況，SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)配備柵源極保護(hù)措施：比如采用傳統(tǒng)柵源極并聯(lián)電容的方法，以確保柵源極電壓保持在允許范圍內(nèi)。

2、過電流保護(hù)

過電流故障指的是 SiC MOSFET 因?yàn)榭刂菩盘?hào)與負(fù)載端異常，器件漏極電流大于額定值，使得器件損壞現(xiàn)象。

根據(jù) SiC MOSFET 的過電流故障時(shí)，其電流值對(duì)額定電流的倍數(shù)。可以將過電流故障分為過載故障與短路故障。

a、過載故障

指 SiC MOSFET 在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，其所在電子裝置的輸出值大于負(fù)載額定值，而發(fā)生的故障，此時(shí) SiC MOSFET 電流值約為額定電流的 1.4 倍左右。

當(dāng)SiC MOSFET 在過載過流故障狀況下，電流變化較小，且器件能承受時(shí)間相對(duì)較長。

b、短路故障

指的是負(fù)載發(fā)生短路或橋式電路結(jié)構(gòu)中，上下管近乎同時(shí)導(dǎo)通時(shí)發(fā)生的故障，此時(shí) SiC MOSFET 電流值，將會(huì)迅速地增大到+其額定電流值 9 倍左右。

在這種情況下，由于快速經(jīng)過 器件的電流過大，SiC MOSFET承受時(shí)間相對(duì)較短，因此需要安全可靠且快速檢測(cè)電流保護(hù)方案：

可以采用目前測(cè)量電流最簡單分流電阻檢測(cè)方法，在回路中串聯(lián)一個(gè)電阻器，來檢測(cè)電流，該方案較為簡單且可在任意系統(tǒng)中自由選擇使用。與此同時(shí)，為了最大限度減少對(duì)電路的影響，以及降低自身功率耗散，分流電阻阻抗值一般很低。

那么，如何為SiC MOSFET選擇合適的驅(qū)動(dòng)芯片？

需要考慮如下幾個(gè)方面：

1.驅(qū)動(dòng)電平與驅(qū)動(dòng)電流的要求

SiC MOS器件選擇時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮具有較大峰值輸出電流的驅(qū)動(dòng)芯片。同時(shí)，若輸出脈沖具備較快的上升和下降速度，則驅(qū)動(dòng)效果更佳。這意味著，驅(qū)動(dòng)芯片的上升和下降時(shí)間參數(shù)均需較小。

2.滿足較短死區(qū)時(shí)間，保證逆變系統(tǒng)具有更高的輸出電壓質(zhì)量；

3.芯片所帶的保護(hù)功能：短路保護(hù)&有源米勒箝位

a、利用SiC MOSFET的短路耐受保護(hù)功能，提高系統(tǒng)可靠性；

b、使用帶有 有源米勒箝位功能的驅(qū)動(dòng)芯片，使其在關(guān)斷期間不因米勒效應(yīng)發(fā)生誤觸發(fā)；

4.芯片抗干擾性（CMTI），處于高頻應(yīng)用環(huán)境下，這要求芯片本身具有較高的抗干擾度。

當(dāng)然，選擇性能較優(yōu)的SiC MOSFET也是高頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的重要因素。新推出的SiC MOSFET產(chǎn)品，就具備非常低的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗， 低損耗特性得以實(shí)現(xiàn)，得益于相對(duì)平穩(wěn)的RDS（通態(tài)電阻）與溫度之間的依賴關(guān)系。特別是，抑制寄生電容引發(fā)的門極誤開通，增強(qiáng)了器件的穩(wěn)健性，不僅對(duì)降低開關(guān)損耗有益，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的易用性。