SiC MOSFET在航空静止变流器中的应用研究

葛小伟，张　瞾，曹　鸿，谢少军

（南京航空航天大学自动化学院，南京211106）

SiC MOSFET在航空静止变流器中的应用研究

葛小伟，张瞾，曹鸿，谢少军

（南京航空航天大学自动化学院，南京211106）

航空静止变流器实现机载直流电到交流电的转换，对功率密度、效率、环境适应性、可靠性和电气性能等有较高的要求。碳化硅（SiC）半导体器件的开关速度快、高温特性好，在航空静止变流器中有很好的应用前景，但目前关于宽禁带器件在航空静止变流器中应用的研究比较少。首先结合现有的典型航空静止变流器电路拓扑分析了SiC MOSFET应用的关键问题；然后针对航空静止变流器逆变级的两级级联半桥逆变器，对比分析了应用SiC MOSFET与Si MOSFET的损耗大小，分析结果表明在现采用的开关频率下，即使现有SiC MOSFET导通损耗较大，但总损耗仍较小；且开关频率越高，SiC MOSFET的效率优势越明显，最后为适应高开关频率SiC MOSFET逆变器的需要设计了一种适应高开关频率和宽占空比变化信号的SiC MOSFET驱动电路，搭建了1台500 VA、115 V/400 Hz两级级联半桥逆变器实验样机，并验证了应用SiC MOSFET的航空静止变流器逆变级的可行性。

航空静止变流器；SiC MOSFET；级联逆变器；损耗分析；驱动电路

引言

航空静止变流器ASI（aeronautical static inverter）作为航空二次电源，其主要功能是将飞机上的发电机或蓄电池的28 V直流电转变为单相或三相的400 Hz交流电，供飞机的用电设备使用。目前，由于航空静止变流器输入电压范围宽，且要求电气隔离，一般采用两级式的结构，即由前级DC/DC直流变换器与后级DC/AC逆变器构成。ASI的输入电压较低，其前级采用带有电气隔离和升压能力的推挽正激变换器［1］或带有漏感能量有源吸收电路的反激变换器［2］，其中的功率器件耐压要求较低，目前适于采用Si MOSFET器件；后级逆变级有全桥逆变器、半桥逆变器、双Buck逆变器等电路方案，且考虑到实现内部电路的模块化、提高逆变级的等效开关频率以减小滤波器要求等因数，目前多采用级联电路［3］。由于400 Hz航空交流电源的电压额定为115 V，若采用两级级联逆变器，当采用全桥电路逆变桥直流电压仅需90 V和采用半桥或双Buck电路时，单个逆变级直流电压仅需180 V。

SiC MOSFET开关速度与开关损耗均优于Si MOSFET［4~6］，适用于较高的开关频率，从而可减小变换器体积重量并提高效率；SiC器件具有较好的温度特性，可以承受更高的工作温度，已有研究将SiC器件应用在400℃的工作环境中［7］，可靠性高且需要的散热器体积更小。对于航空静止变流器而言，高功率密度、高效、较好的温度特性以及高可靠性都是其重要指标，研究SiC器件在航空静止变流器的应用十分必要。但由于已有的航空静止变流器器件电压等级要求较低，而现有的SiC器件更适合较高电压场合，且航空静止变流器的功率通常也仅为kVA等级，因此，目前鲜有文献研究SiC MOSFET在航空静止变流器的应用问题。

本文针对两级级联半桥的航空静止变流器，首先结合现有的器件对比分析应用Si MOSFET和SiC MOSFET的损耗特点，研究SiC MOSFET在航空静止变流器中应用的可能性；其次，针对SiC MOSFET在高开关频率下效率优势更为突出的特点，研究了SiC MOSFET高频逆变器的驱动电路；最后，基于研制的实验样机，验证SiC MOSFET在航空静止变流器中应用的可行性。

图1　航空静止变流器逆变级电路Fig.1 Circuit of ASI’s back stage

1基于Si MOSFET和SiC MOSFET航空静止变流器逆变级损耗对比

本文所研究的航空静止变流器逆变级采用两级级联的半桥逆变器，电路如图1所示。

以额定功率500 VA为例考虑开关管的选取。若静止变流器的功率等级较大，高功率密度变换器内部的热源均匀分布，可以采用目前已很成熟的电路模块并联技术或在电路模块内采用多器件并联。该逆变器单级额定输入电压为180 V，最高电压限定在240 V以内，所以开关管漏源极击穿电压VDSS高于300 V即可。500 VA变流模块在额定状态下的负载电流为4.3 A，考虑滤波器电容电流的影响，则开关管流过的峰值电流为8 A左右；基于航空静止变流器的过载及短路电流、降额要求等因素，开关管最大漏极电流IDM可选为30 A左右。

以 30 A/300 V等级为依据选取合适的SiC MOSFET与普通的Si MOSFET进行损耗对比。结合现有器件水平，选取的SiC MOSFET为ROHM公司的 SCT2120AF，Si MOSFET为 Infineon公司的IPB407N30N与ST公司的STB45N40DM2AG，具有代表性。3种器件的主要参数对比如表1所示，表1 中VDSS为MOSFET漏源极击穿电压，IDM为最大漏极电流，Rds（on）为导通电阻，Vth为驱动阈值电压，Ciss为输入电容，Coss为输出电容，Crss为转移电容。从表中可以看出，SiC MOSFET的优势在于寄生电容小；Si MOSFET由于额定电压较低，导通电阻更小。

在单级输入电压180 V、输出电压115 V/400 Hz、输出功率500 VA、开关频率32 kHz的条件下，对3种MOSFET进行损耗分析对比，其中主要包括开关管导通损耗Pcon、开关损耗Psw、寄生电容Cds损耗以及驱动损耗Pdrive。

［8］逆变器中开关器件的损耗分析模型，上述损耗的具体计算方法如下。

MOSFET的导通损耗Pcon为

式中：T为输出电压周期；Vds为MOSFET导通压降；id为流经MOSFET的电流。

MOSFET的开关损耗Psw为

式中：Vds（ton）与 Vdstoff为MOSFET开通与关断时的耐压；VDS与ID为数据手册上 Eon与 Eoff的测试条件；fs为MOSFET开关频率。

MOSFET寄生电容的损耗PCds为

式中，Cds为MOSFET漏源极间电容。

MOSFET驱动损耗Pdrive为

式中：Vdrive为MOSFET驱动电压；Qg为MOSFET栅极电荷。

逆变器电阻性负载时功率器件损耗较大。根据式（1）～式（4），在额定电阻性负载情况下计算得到的功率管损耗具体数据，如表2所示。表2数据单个器件的损耗，逆变级的总开关管损耗为单个器件的4倍。则应用SCT2120AF时逆变级总损耗为5.80 W，应用 IPB407N30N时为 6.36 W，应用STB45N40 DM 2AG时为6.16 W。由数据可以看出，三者相差不大，应用SiC器件时总开关管损耗略小。由此可见，虽然SiC MOSFET是高压器件，但在此处仍具有一定的优势。

由表2还可以看出，虽然SiC器件导通损耗较大，但开关损耗与寄生电容损耗均小于其他2种型号的Si MOSFET。因导通损耗Pcon与开关频率关系不大，而开关损耗Psw与寄生电容损耗PCds与开关频率基本成正比关系［4-6］。若开关频率进一步提高，SiC MOSFET开关损耗与寄生电容的损耗优势将更加明显。表2的损耗是在开关频率为32 kHz时计算的，若开关频率提高1倍到64 kHz，估算采用SCT2120AF的总损耗约为8 W，采用IPB407N 30N总损耗约为11 W，采用STB45N40DM2AG总损耗约为12 W。由此可见，开关频率越高，应用SiC MOSFET的优势越明显。

低电压等级的SiC MOSFET正在发展，结合SiC MOSFET耐压高的特点对电路拓扑结构进行优化，SiC MOSFET在航空静止变流器中的应用价值将更大。

表1　MOSFET参数对比Tab.1 Comparison of MOSFETs parameters

表2　MOSFET损耗对比Tab.2 Comparison of loss for MOSFETs

2　航空静止变流器中SiC MOSFET驱动

2.1SiC航空静止变流器对驱动电路的要求

SiC MOSFET的应用为航空静止变流器提高开关频率奠定了基础，同时，提高开关频率是发挥SiC MOSFET优势的要求，提高开关频率后可以减小对滤波器的要求，也可以提高变流器的动态特性，但高开关频率对功率器件驱动电路的要求更高。

SiC MOSFET与Si MOSFET具有一般共性，都属于电压控制型开关器件。根据对SiC MOSFET开关特性的分析，其对驱动电路有如下要求：触发脉冲有较快的上升和下降速度；驱动回路阻抗不可太大，开通时需能够快速对栅极电容进行充电，关断时栅极电容能够快速放电；驱动电路需能够提供足够大的驱动电流；驱动电路需提供足够高的驱动电压，从而减小SiC MOSFET的导通损耗；由于SiC MOSFET的开启电压较低，宜在关断时为驱动提供负压，以保证SiC MOSFET可靠关断，防止其误导通，增强抗干扰能力；具备电气隔离能力。特别地，针对高开关频率逆变器应用，由于控制信号为周期性的正弦脉宽调制信号，驱动电路必须能适应宽范围的占空比变化，信号传输失真小。

虽然SiC MOSFET具有诸多优点，但现今其驱动仍然是一个需要解决的问题。文献［7］所设计的SiC驱动电路采用了CMOS隔离芯片实现隔离，且为提供负压采用了隔离DC/DC模块，电路成本较高；文献［9-10］所设计的SiC驱动电路采用光耦隔离，抗干扰能力较弱，且需额外的隔离电源。上述驱动电路方案都难以适应航空静止变流器的使用环境条件要求。

2.2适用于SiC逆变器的驱动电路

航空静止变流器逆变级采用桥式电路，一个桥臂上存在2个开关管，存在桥臂直通的问题。为保证SiC开关管可靠的关断，采用负压进行关断，且需要隔离；逆变级采用SCT2120AF型SiC MOSFET，驱动电压范围为-6~22 V。本文在文献［11］的电路基础上进行改进，得到适用于SiC MOSFET的驱动电路，如图2所示。

图中，驱动电路输入端输入PWM波，由三极管Q1与Q2组成的图腾柱放大电路对驱动信号进行放大后，经隔直电容C1后得到交流分量，交流分量由隔离变压器T变换至变压器副边。取直电容C2与二极管D2使得直流电平得到恢复，C3与C4串联作为独立的浮动供电电源为由Q3与Q4组成的图腾柱电路供电。电路主要工作波形如图3所示。

图2　SiC MOSFET驱动电路Fig.2 Drive circuit for SiC MOSFET

图3　驱动电路主要工作波形Fig.3 Key operating waveforms of driver circuit

当输入端为高电平时，Q1导通，此时uD2为高电平，Q3导通，电容C3通过Q3对MOSFET栅极电容Cgs充电，使MOSFET导通。传统的通过磁耦隔离的驱动电路的驱动电流受到变压器漏感的限制，而该驱动电路的驱动电流由储能电容C3提供，不受限制，因此采用该电路进行驱动时，MOSFET栅极电压上升速度更快。当C3的电压下降到一定程度时，又可以通过C2与二极管D1对其进行充电。

当输入端为低电平时，Q2导通，此时uD2为低电压，Q4导通，MOSFET栅极电容Cgs通过Rg与Q4形成卸放回路。由电容C4与稳压管Z1可以实现负的驱动电压，从而保证开关管可靠关断。

该驱动电路中变压器副边采用由原边供电的储能电容作为独立供电电源，不再需要其他的隔离驱动电源，简化了电路。另外，MOSFET开通时由储能电容供电，避免了耦合变压器漏感与栅极电容谐振的问题。同时，变压器副边的波形复位通过取直电容C2进行，由C3与C4组成的供电电源电压稳定，不会受到占空比的限制，而且驱动电路对变压器漏感的要求降低，通过适当的绕制方法可以提高电路的电气隔离能力。

2.3SiC MOSFET驱动电路验证实验

为验证所设计的驱动电路是否可行，对其进行实验研究。实验时，变压器原副边匝比为1：1.9，供电电压Vcc为+12 V，稳压管Z1稳定电压为3.3 V，驱动电阻Rg为10 Ω，Rgs取10 kΩ。

开关频率为32 kHz，逆变器调制比为0.8时的驱动波形如图4所示。图4（a）为占空比逐渐增加时的驱动波形，图4（b）为一个桥臂上2个开关管在占空比最大与最小时的互补驱动波形，图4（c）为占空比最小时的驱动波形。

开关频率为100 kHz时一个桥臂上的2个开关管驱动电压波形如图5所示，ugs1占空比为最小，ugs2占空为最大。

由实验波形可以看出，图2中的驱动电路能够满足SiC MOSFET的驱动要求，适应SPWM调制信号，且能满足高开关频率逆变器的驱动要求。

图4　开关频率32 kHz时的驱动波形Fig.4 Waveforms of the driver for 32 kHz

图5　100 kHz开关频率时的驱动波形Fig.5 Waveforms of the driver for 100 kHz

3　基于SiC MOSFET的航空静止变流器逆变级实验研究

3.1样机参数

在应用SiC MOSFET（SCT2120AF）的情况下对航空静止变流器逆变级进行实验研究，样机参数如表3所示。

3.2实验波形

表3　实验样机参数Tab.3 Parameters of experimental prototype

图6给出了逆变器在空载、250 VA、500 VA时的输出电压以及电感电流波形。

由图6可以看出，应用SiC MOSFET的逆变器在全负载范围内均能正常工作，且输出电压具有良好的正弦度。

3.3效率测试

图6　逆变器输出波形Fig.6 Output waveforms of the inverter

为验证使用SiC MOSFET的逆变器的高效性，对其进行效率测试，测试曲线如图7所示。

由图7可以看出，采用SiC MOSFET的逆变器最高效率可达97.3%，说明了SiC器件应用于航空静止变流器逆变级的可行性。

图7　逆变器效率曲线Fig.7 Efficiency curve of the inverter

4结语

本文将SiC MOSFET应用到航空静止变流器逆变级（两级级联半桥逆变器）中，并在单级输入180 V、输出115 V/400 Hz、输出功率500 VA、开关频率32 kHz时对SiC MOSFET与Si MOSFET进行了损耗对比，对比结果表明尽管SiC MOSFET为高压器件，但用在此处效率与性能上仍然具有一定优势，且开关频率越高优势将越明显。同时，还设计了一种适用于高开关频率、宽占空比变化范围的SiC MOSFET驱动电路，进行了实验研究，实验表明该驱动电路具有良好的驱动能力。对航空静止变流器的后级两级级联半桥逆变器的实验研究和效率测试表明，应用SiC MOSFET的两级级联半桥逆变器能够稳定工作且最高效率可达97.3%，证明SiC MOSFET应用于航空静止变流器逆变级的可行性。

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总之，0.1mg/kg纳布啡用于无痛胃肠镜检查具有和舒芬太尼0.1μg/kg用量相似的镇静镇痛效果，呼吸抑制发生率低于舒芬太尼；小剂量异丙嗪麻醉前静注，可有效预防纳布啡引起眩晕的副作用，减少丙泊酚用量，值得临床推广使用。

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Application and Investigation of SiC MOSFET in Aeronautical Static Inverters

GE Xiaowei，ZHANG Zhao，CAO Hong，XIE Shaojun
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

The aeronautic static inverters（ASIs）which convert the airborne DC bus voltage to constant 400 Hz AC voltage are critical to the requirements of power density，efficiency，environment adaptability，reliability and electrical properties.The SiC semiconductor devices with high switching speed and good performance under high temperature have good promise to be applied in ASIs，but now there is still less research on using the wide range band gap power switches in ASIs.First，the key issues of applying SiC MOSFETs to ASIs is analyzed based on the typical ASI topology in this paper.Then considering the inverter cascaded by two half bridges，the losses of Si MOSFET-based and SiC MOSFET-based are compared.The comparison results show that the SiC MOSFET inverter’s total loss is less even though its onstate loss is high and the efficiency merit of SiC MOSFET inverters is more prominent with the switching frequency increasing.Finally，to meet the requirements of high switching frequency SiC MOSFET inverters，a drive circuit which adapts to high switching frequency and wide range PWM signals is designed.a two-stage cascaded 115 V/400 Hz halfbridge inverter rated at 500 VA is developed to validate the feasibility of the ASI with SiC MOSFETs.

aeronautical static inverter；SiC MOSFET；cascade inverter；loss analysis；drive circuit

葛小伟

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.66

TN 386.1

A

2016-01-11

葛小伟（1991-），男，通信作者，硕士研究生，研究方向：功率电子变换技术，E-mail：gxw345@163.com。

张曌（1993-），男，博士研究生，研究方向：功率电子变换技术，E-mail：zhao.zz. zhang@nuaa.edu.cn。

曹鸿（1993-），男，硕士研究生，研究方向：功率电子变换技术。E-mail：caohong@nuaa.edu.cn。

谢少军（1968-），男，博士，教授，研究方向：功率电子变换技术及航空电源系统，E-mail：eeac@nuaa.edu.cn。