第三代電力電子半導體SiC MOSFET：聚焦高效驅動(dòng)方案

第三代電力電子半導體SiC MOSFET：聚焦高效驅動(dòng)方案

相比傳統的硅MOSFET，SiC MOSFET可實(shí)現在高壓下的高頻開(kāi)關(guān)。新能源、電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，SiC MOSFET（碳化硅-金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管）憑借高頻、高功率、低損耗等卓越性能，SiC MOSFET驅動(dòng)方案備受關(guān)注。然而，SiC MOSFET的獨特器件特性，也意味著(zhù)它們對柵極驅動(dòng)電路有特殊的要求。

本文將圍繞SiC MOSFET的驅動(dòng)方案展開(kāi)了解，其中包括驅動(dòng)過(guò)電流、過(guò)電壓保護以及如何為SiC MOSFET選擇合適的驅動(dòng)芯片等。

SiC MOSFET驅動(dòng)保護

1、過(guò)電壓保護

a) 漏源極過(guò)電壓保護

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

第一種是在電動(dòng)汽車(chē)、電力系統等應用場(chǎng)景。

當母線(xiàn)電壓較高且不穩定時(shí)，電力電子變換裝置主電路的電壓就會(huì )超過(guò)了 SiC MOSFET 漏源極的額定電壓，從而導致器件擊穿損壞。

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

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(xiàn)電壓一起疊加在 SiC MOSFET 漏源極兩端，這會(huì )導致 SiC MOSFET 漏源極電壓產(chǎn)生較大的電壓過(guò)沖，嚴重時(shí)會(huì )超過(guò)器件的安全電壓，導致 SiC MOSFET 器件損壞。

因此，直流母線(xiàn)電壓不穩定，以及漏源極電壓過(guò)沖是產(chǎn)生漏源極電壓過(guò)電壓的主要因素。

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

1.針對直流電壓不穩定：采取降低額定電壓使用方法；

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

b）柵源極過(guò)電壓保護

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

1. 驅動(dòng)電路性能不穩定，導致輸出電壓超過(guò)了柵源極電壓；

2. 當SiC MOSFET應用于橋式電路時(shí)，在某一開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)下，另一開(kāi)關(guān)管的柵源極電壓，可能超過(guò)柵源極開(kāi)啟電壓或負向安全電壓。

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

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

2、過(guò)電流保護

過(guò)電流故障指的是 SiC MOSFET 因為控制信號與負載端異常，器件漏極電流大于額定值，使得器件損壞現象。

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

a、過(guò)載故障

指 SiC MOSFET 在實(shí)際應用場(chǎng)景下，其所在電子裝置的輸出值大于負載額定值，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SiC MOSFET 在過(guò)載過(guò)流故障狀況下，電流變化較小，且器件能承受時(shí)間相對較長(cháng)。

b、短路故障

指的是負載發(fā)生短路或橋式電路結構中，上下管近乎同時(shí)導通時(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(guò) 器件的電流過(guò)大，SiC MOSFET承受時(shí)間相對較短，因此需要安全可靠且快速檢測電流保護方案：

可以采用目前測量電流最簡(jiǎn)單分流電阻檢測方法，在回路中串聯(lián)一個(gè)電阻器，來(lái)檢測電流，該方案較為簡(jiǎn)單且可在任意系統中自由選擇使用。與此同時(shí)，為了最大限度減少對電路的影響，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選擇合適的驅動(dòng)芯片？

需要考慮如下幾個(gè)方面：

1.驅動(dòng)電平與驅動(dòng)電流的要求

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

2.滿(mǎn)足較短死區時(shí)間，保證逆變系統具有更高的輸出電壓質(zhì)量；

3.芯片所帶的保護功能：短路保護&有源米勒箝位

a、利用SiC MOSFET的短路耐受保護功能，提高系統可靠性；

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

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

當然，選擇性能較優(yōu)的SiC MOSFET也是高頻驅動(dòng)應用中的重要因素。新推出的SiC MOSFET產(chǎn)品，就具備非常低的開(kāi)關(guān)損耗和傳導損耗， 低損耗特性得以實(shí)現，得益于相對平穩的RDS（通態(tài)電阻）與溫度之間的依賴(lài)關(guān)系。特別是，抑制寄生電容引發(fā)的門(mén)極誤開(kāi)通，增強了器件的穩健性，不僅對降低開(kāi)關(guān)損耗有益，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的易用性。