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SIC MOSFET驱动电路设计概述及其短路保护设计方法

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SIC MOSFET的特性:

导通电阻随温度变化率较小,高温情况下导通阻抗很低,能在恶劣的环境下很好的工作。

随着门极电压的升高,导通电阻越小,表现更接近于压控电阻。

开通需要门极电荷较小,总体驱动功率较低,其体二极管Vf较高,但反向恢复性很好,可以降低开通损耗。

具有更小的结电容,关断速度较快,关断损耗更小。

开关损耗小,可以进行高频开关动作,使得滤波器等无源器件小型化,提高功率密度。

开通电压高于高于SI器件,推荐使用Vgs为18V或者20V,虽然开启电压只有2.7V,但只有驱动电压达到18V~20V时才能完全开通。

误触发耐性稍差,需要有源钳位电路或者施加负电压防止其误触发。

 
ST公司SIC MOSFET参数  

   

 
图2 ST公司IGBT参数  

   
SIC MOSFET对驱动的要求

触发脉冲有比较快的上升速度和下降速度,脉冲前沿和后沿要陡。

驱动回路的阻抗不能太大,开通时快速对栅极电容充电,关断时栅极电容能够快速放电。

驱动电路能够提供足够大的驱动电流。

驱动电路能够提供足够大的驱动电压,减小SIC MOSFET的导通损耗。

驱动电路采用负压关断,防止误导通,增强其抗干扰能力。

驱动电路整个驱动回路寄生电感要小,驱动电路尽量靠近功率管。

驱动电路峰值电流Imax要更大,减小米勒平台的持续时间,提高开关速度。

SIC MOSFET驱动电路设计

对于有IGBT驱动电路设计经验的工程师来说,SIC MOSFET驱动电路的设计与IGBT驱动电路的设计类似,可以在原来的驱动电路上进行修改参数进行设计。

驱动电源的设计

SIC MOSFET电源的设计,根据其特性,需要有负压关断和相比SI MOSFET较高的驱动电压,一般设计电源为-6V~+22V,根据不同厂家的不同Datasheet大家选择合适的电源正负电压的设计,这里只给出一个笼统的设计范围。可以将IGBT模块驱动电源进行稍微修改使用在这里,比如,特斯拉在分立IGBT和SIC IGBT上都是用反激电源,具体电路参考历史文章中对特斯拉Model S 与Model 3的硬件对比分析中,也可以使用电源模块,比如国内做的比较好的金升阳的电源模块,可以降低设计难度,但成本也会相应的升高。

驱动电路的设计

驱动芯片,英飞凌和ST都有相应的驱动芯片,并且原来英飞凌用于IGBT驱动的1ED系列和2ED系列都可以用在SIC MOSFET的驱动电路,如下图所示,英飞凌对SIC MOSFET驱动IC的介绍,具体的参数朋友们可以参考英飞凌的Datasheet(注:不是在为谁打广告,因为经常用英飞凌的产品,比较熟悉就拿出来对比)。

ST也有相应的门极驱动芯片,如Model 3上使用的STGAP1AS,具体的规格书大家可以参阅ST官网的Datasheet,或者回复本文题目:SIC MOSFET驱动电路设计概述,将会得到相应的Datasheet。

 
图3 英飞凌驱动IC宣传页  

   

 
图4 ST驱动IC宣传页  

   
SIC MOSFET驱动电路设计-短路保护

为确保碳化硅(SiC)功率器件在过载、短路等工况下能安全可靠地工作,必须充分认识SiC 器件的短路机理。由于SIC MOSFET晶圆面积小,电流密度大且短路能力较弱,因此对电路保护要求更高。

SIC MOSFET驱动电路与现有的SI功率器件驱动电路相兼容,但其驱动电路中的短路保护部分比较难搞。

一方面,在SI IGBT的数据手册中,短路电流及其与栅射级电压的关系曲线、短路承受时间是被列出来的,但主流SIC MOSFET的厂商在Datasheet中并没有提供关于短路承受时间与短路电流的数据。

以ST的650V/110A的SIC MOSFET,型号为:SCTW90N65G2V,和650V/120A的IGBT,型号为:STGYA120M65DF2,为例,参考其Datasheet进行对比。在特性中:IGBT的Datesheet明确标注短路承受时间6us,如图5所示,SIC MOSFET的Datesheet没有标注短路承受时间,如图6,IGBT的Datesheet中有IGBT短路电流时间与短路电流和VGE关系,如图7,而SIC MOSFET的Datesheet没有。

 
图5 IGBT特性  

   

 
图6 SIC MOSFET特性  

   

 
图7 IGBT短路电流时间与短路电流和VGE关系  

   

另一方面,一些研究人员已发表的关于SIC MOSFET的短路承受时间的数据都比较小。SIC MOSFET的单次短路承受时间很短,并且在进行重复性短路测试以后,SIC MOSFET会出现老化现象,例如CREE的第一代TO247封装的SIC MOSFET(CPMF-1200-S160B),在Vds=400V,Vgs=18V,Tcase=115℃,Ton=14us的条件下测试,1000次短路脉冲后,阈值电压和栅极漏电流出现明显变化,栅极漏电流增加了大约8个数量级,阈值电压增加了约0.9V,短路电流也出现明显下降。

短路故障的种类

在实际电路中,可能会出现两种短路故障。

一种是,在正常工作时,负载突然短路,器件从正常工作状态迅速转换成高压大电流状态;另一种是在工作前,负载已经处于短路状态,这时时从零电流状态迅速调至器件承受大电流状态。

短路保护

在高压大功率应用中,SIC MOSFET会遇到短路或者过流的情形,驱动保护电路需要快速检测到错误状态,然后再器件和电路损坏之前安全关闭SIC MOSFET。在IGBT的短路保护电路中,常用的是去饱和检测Vce,去饱和电路也可以用在SIC MOSFET驱动电路的保护电路中,相对于IGBT来说,SI MOSFET的脉冲电流和短路承受时间更小,需要降低消隐时间和参考电压的阈值。如图8,IGBT的去饱和电路,C13_UB为消隐电容。


   


8 IGBT的去饱和电路  
 

   



全文完~

来源:电动新视界
电源电路芯片
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首次发布时间:2023-06-14
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