用于直流变换器的SiC MOSFET 驱动电路设计

韩 芬，张艳肖，石 浩

（西安交通大学城市学院电气与信息工程系，陕西西安 710018）

近年来，新型半导体功率器件碳化硅SiC（Silicon Carbide）MOSFET 因其具有宽禁带、高开关频率、高开关速度、热稳定性好、热导率高等优点，不但减轻了设备的体积和重量，同时也提高了电力电子变换器的性能[1-4]。研究学者针对SiC MOSFET 的开关特性，以及新型的电力电子功率器件在工程实际中的应用等方面展开了研究[5-8]。

SiC MOSFET 因其材料的特殊性可以工作在高温、高压下，工作频率可高达兆赫兹级[9]，已成为高温、高压、高频、高功率密度电力电子变换器的理想选择[10]。目前已广泛应用在航天电力系统、新能源汽车、新型智能电网系统中[11]。

1 驱动电路的设计

SiC MOSFET 驱动电路的设计主要体现在驱动电压及快速性上[12]。驱动电压一般为-5～+24 V，但开启电压只有2.5 V，只有电压达到18～20 V 时才能使SiC MOSFET 完全开通，高的开通电压可减小开通损耗[13]。开关关断时必须提供-5～-2 V 的负压加快关断速度，防止栅极振荡引起的误开通，增强抗扰能力[14-15]。栅极有源箝位电路，防止较高的开关速度导致栅极电阻上的压降引起开关误导通，驱动回路要求寄生电感足够小从而减少栅极振荡。因此设计时选择+18 V的正向驱动电压和-3 V的反向关断电压。

该文采用ACPL-336J 光耦隔离实现控制信号和主电路的隔离[16]，如图1 所示，该芯片5 V 供电，控制信号接7 引脚，8 引脚接地，双电源供电时，12 引脚接正压18 V，9 和16 引脚VEE2 接负压-3 V，13 引脚VE为正负电源的地。14 引脚通过电容接地，11 引脚通过电阻R2输出驱动信号。

图1 ACPL-336J外围电路图

图2 为驱动芯片IXDN609 的外围电路图，1 和8引脚接18 V 电源，驱动信号从2 引脚输入，4 和5 引脚接地，6 和7 引脚通过驱动电阻Rd输出SiC MOSFET的栅极驱动波形。图3 为驱动电路的完整电路图。

图2 IXDN609的外围电路图

图3 驱动电路图

2 双脉冲测试电路设计

双脉冲测试电路[17]如图4（a）所示，SiC 肖特基二极管SCS210KE2 作为续流二极管，SCT2080KE 作为功率开关管，电感L取0.5 mH，Rd为门极驱动电阻。图（b）为双脉冲驱动波形，其中T1为9 μs，T2为2 μs，T3为1 μs。

图4 双脉冲测试波形

在软件PSpice 中搭建双脉冲测试电路的仿真模型，T1时刻开关导通，电感电流线性上升。T2时刻开关关断，电流通过SCS210KE2 续流。T3时刻开关再次导通，SCS210KE2 反向恢复。开关导通时漏源极电压为0 V，关断时为电源电压400 V，仿真结果如图（c）和图（d）所示。

3 驱动电阻对开关特性的影响

驱动电阻分别取2 Ω、5 Ω、10 Ω、20 Ω，SiC MOSFET栅源极电压VGS、漏源极电压VDS、漏极电流ID以及开关损耗如图5 所示，结果显示SiC MOSFET 开通和关断时间随着驱动电阻的增大而增加，但波形震荡却随之减小。开关损耗为VDS与ID的乘积[18]，从仿真结果可知开关损耗随着驱动电阻增大而增大。因此选择5 Ω的驱动电阻，在损耗小的情况下确保开关在高频下安全稳定工作。

图5 不同Rd时开关波形

4 频率对开关特性的影响

当频率为50 kHz、100 kHz、200 kHz、400 kHz、500 kHz 时对驱动电路进行仿真，对比不同频率下SiC MOSFET 的开通过程。从图6 的仿真结果可知，频率越高开关时间越短，但频率越高串扰问题越严重，导致开关误导通。

图6 SiC MOSFET开通过程对比图

5 SiC MOSFET和Si IGBT对比

在直流变换器中使用电压等级相同的SCT2080 KE 和IKW08T120，对比开通和关断过程，如图7 所示，SiC MOSFET 比Si IGBT 开关时间短。图8 所示SiC MOSFET 在直流变换器中的仿真结果，当频率为100 kHz，输入电压为100 V，占空比分别为0.5 和0.9时，VGS、VDS以及输出电压Uo的波形[19]。

图7 SiC MOSFET与IGBT开关时间对比

图8 不同占空比时电压波形

表1 为SiC MOSFET 与Si IGBT 控制的直流变换器，占空比从5%～95%每间隔5%测量的负载电压Uo的值，从表中测量结果可知占空比50%左右时，输出电压误差最小，占空比太大或者太小时，输出电压误差大。SiC MOSFET 比Si IGBT 控制的输出电压Uo更接近理想值。

表1 SiC MOSFET和Si IGBT输出电压对比表

6 结论

该文设计了一种用于直流变换器的SiC MOSFET驱动电路，利用双脉冲电路测试不同驱动电阻、不同频率对SiC MOSFET 开关特性的影响。在直流变换器中对电压等级相同的SiC MOSFET 和Si IGBT 比较开关时间的长短以及输出电压的大小，结果显示SiC MOSFET 开关特性优于Si IGBT，高频下SiC MOSFET的开关速度更快，负载电压误差更小。该研究为SiC MOSFET 的实际应用奠定了基础。同时对本科电力电子实验与实训教学环节具有学习指导意义。