SiC MOSFET 特性分析及应用

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）

碳化硅SiC（Silicon Carbide）MOSFET 作为第三代宽禁带半导体材料的代表，工作结温高达600 ℃，工作频率高达兆赫兹级，最高反向击穿电压为200 kV[1]。因其具有击穿电场高、载流子饱和漂移速度快、热稳定性好、热导率高、能提高电力变换器的性能等优良特性，已成为高温、高压、高频、大功率场合的理想器件[2-3]，因此国内外研究学者对其特性及应用展开研究。文献[4]研究了SiC MOSFET 的开关特性以及在Buck 电路中的应用。文献[5]分析了驱动电阻对SiC开关器件开关时间和开关损耗的影响。文献[6]对比SiC MOSFET 与Si IGBT 的特性。该文研究设计了SiC MOSFET 的驱动电路，通过PSpice 软件仿真分析SiC MOSFET 的开关特性，以及SiC 肖特基二极管的特性，利用RC 缓冲电路吸收开关过程中电流和电压产生的尖峰震荡。通过搭建硬件实验电路研究Buck 电路的效率。

1 驱动电路的设计

SiC MOSFET 选取ROHM 公司的SCT2080KE，该器件的参数：额定电压VDS=1.2 kV，额定电流ID=40 A，通态等效电阻RDS（on）=80 mΩ，最高结温175 ℃，栅源极电压-6～22 V，开启电压2.8 V，电压高达18～20 V 时开关才能完全导通。为了防止栅极振荡增强抗扰能力，使开关快速关断，栅极必须提供-2～6 V 关断电压[7-12]，因此选择+18 V 和-4 V 的驱动电压。图1为驱动电路设计图，通过光耦6N137 实现电气隔离，IXDD609SI 对驱动信号进行功率放大，控制SiC MOSFET 开通和关断。

图1 驱动电路图

为了给芯片供电，设计如图2所示的辅助电源，市电经过变压器BK100VA 转换成24 V 和6.3 V 的交流电，24 V 经过二极管半波整流，通过7818 和滤波电容得到+18 V直流电。6.3 V二极管半波整流，通过7905得到-5 V直流电，利用LM337调整为-4 V的直流电。

图2 辅助电源

光耦6N137 的外围电路如图3 所示，引脚2 输入控制信号，R3与R4分别为输入和输出信号的限流电阻，控制信号从引脚6 输出。驱动芯片IXDD609SI的外围电路如图4 所示，引脚1 和8 VCC接18 V 电源，驱动信号PWM1 通过限流电阻R5从引脚2 输入，引脚4和5 接地，引脚6 和7 通过驱动电阻Rg 输出SiC MOSFET 栅极驱动的PWM 波。

图3 6N137的外围电路

图4 IXDD609的外围电路

2 SiC MOSFET开关特性

利用双脉冲电路测试SiC MOSFET开关特性[13-14]，续流二极管选取SiC 肖特基二极管SCS210KE2，电感取0.5 mH，Rg为驱动电阻。双脉冲驱动波形如图5（a）所示，T1区间开关导通9 μs，漏极电流线性上升。T2区间通过碳化硅肖特基二极管续流2 μs。T3区间开关再次导通1 μs。漏极电流的仿真结果如图5（b）所示。

图5 双脉冲测试波形

门极驱动电阻Rg的大小影响开关速度及开关损耗，因此门极驱动电阻的选取非常重要[15]。表1和表2分别为不同的驱动电阻仿真得到的SiC MOSFET 的导通和关断时间。从结果可知驱动电阻越大，开关时间越长，开关损耗越大。因此5 Ω的门极驱动电阻，既保证了开关速度又保证了系统的稳定性。图6为电阻为5 Ω时SCT2080KE 的开关特性。

表1 不同驱动电阻Rg开关开通时间

表2 不同驱动电阻Rg开关关断时间

图6 驱动电阻为5 Ω时开关波形

3 SiC肖特基二极管特性

硅二极管一般应用于小于250 V 的场合，有反向恢复时间。而SiC 肖特基二极管耐压高达1.2 kV，不仅开关频率高，而且没有反向恢复特性，能降低开关损耗[16]。图7（a）为二极管电流波形，图7（b）为反向截止时电流局部放大图，从图中可以看出反向恢复电流小于0.8 A。

图7 SiC肖特基二极管电流波形

4 RC缓冲电路

SiC MOSFET 在高频下工作，开关过程中电流电压震荡严重，为了解决这一问题，在SiC MOSFET的漏源极两端并联RC 缓冲电路[17]。C取0.375 nF，R取8 Ω/5 W。图8（a）为添加了RC 缓冲电路的Buck电路图，图8（b）为未添加RC 缓冲电路SiC MOSFET漏极电流波形，可以看出波形震荡严重。图8（c）为添加了RC 缓冲电路SiC MOSFET 漏极电流波形，电流的峰值从9 A 左右减少到了6 A 左右，RC 缓冲电路吸收了部分电流谐波，使得系统的运行更加稳定可靠。

图8 添加RC缓冲电路图及波形

5 实验结果

5.1 Buck电路实验结果

根据PSpice的仿真结果搭建了实验电路，在Buck电路中,驱动电路的控制信号由单片机STM32F407ZG产生幅值为3.3 V，占空比为0.5 的PWM 波，输入电压100 V，电感取4 mH，电容取200 V/30 uF，负载为100 Ω，频率100 kHz。用Tek 示波器显示实验结果。图9（a）为未添加RC 缓冲电路的驱动电压波形，可以看出尖峰震荡较大。图9（b）为添加了RC 缓冲电路的驱动波形，有效地抑制了尖峰震荡。图9（c）为开关开通时局部放大图，图9（d）为开关关断时局部放大图，从图中可知开关都在350 ns 内波形稳定。

图9 驱动及放大波形

5.2 电路的效率

电路的效率为输出功率与输入功率的比值[18]。表3 为不同占空比SiC MOSFET 和Si IGBT 在Buck 电路中的效率。从结果可知占空比在0.5 左右时效率最高，占空比越大或者越小效率降低，SiC MOSFET比Si IGBT 在电路中的效率较高。

表3 不同占空比电路的效率

当频率为100 kHz 时，占空比为0.5，负载分别取10 Ω、20 Ω、50 Ω、100 Ω、200 Ω、500 Ω时电路的效率如表4 所示，负载越小，效率越高，满载时效率最高。

表4 不同负载电路的效率

6 结论

该文针对SCT2080KE 设计了驱动电路，利用双脉冲电路分析了SiC MOSFET 的开关特性，以及SiC肖特基二极管的反向恢复特性。通过设计RC缓冲电路，减少SiC MOSFET 在开关过程中的大量谐波。最后搭建了实验电路，在Buck 电路中对比SiC MOSFET和Si IGBT 在不同占空比和不同负载条件下电路的效率。结果表明SiC 开关特性好，在实际应用中效率高，为工程实践奠定了基础。