SiC Mosfet管特性及其專用驅(qū)動(dòng)電源

　　一、 引言

　　以Si為襯底的Mosfet管因?yàn)槠漭斎胱杩垢撸?qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，具有靠多數(shù)載流子工作導(dǎo)電特性，沒(méi)有少數(shù)載流子導(dǎo)電工作所需要的存儲(chǔ)時(shí)間，因而開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率可到500kHz，甚至MHz以上。但是隨著其反向耐壓的提高，通態(tài)電阻也急劇上升，從而限制了其在高壓場(chǎng)合的應(yīng)用。IGBT具有高反向耐壓和大電流特性，但是對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求很?chē)?yán)格，并且不適合工作在高頻場(chǎng)合，一般IGBT的工作頻率為20kHz以下。

　　SiC作為一種寬禁代半導(dǎo)體器件，具有飽和電子漂移速度高、電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度高、介電常數(shù)低和熱導(dǎo)率高等特性。以SiC為襯底的Mosfet管具有阻斷電壓高、工作頻率高且耐高溫能力強(qiáng)，同時(shí)又具有通態(tài)電阻低和開(kāi)關(guān)損耗小等特點(diǎn)，是高頻高壓場(chǎng)合功率密度提高和效率提高的應(yīng)用趨勢(shì)。

　　二、 SiC Mosfet與Si IGBT性能對(duì)比

　　目前市面上常見(jiàn)的SiC Mosfet電流均不大于50A，以常見(jiàn)的1200V/20A為例，列舉了Cree公司與Rohm公司的SiC Mosfet管的部分電氣參數(shù)；同樣例舉了Fairchild 與APT公司的1200V/20A Si IGBT系列的電氣參數(shù)進(jìn)行比較；

　　表1.SiC Mosfet與Si Mosfet的主要參數(shù)對(duì)比

　　通過(guò)表格性能對(duì)比，可以看出，SiC Mosfet有三個(gè)方面的性能是明顯優(yōu)于Si IGBT：

　　1.極其低的導(dǎo)通電阻RDS（ON），導(dǎo)致了極其優(yōu)越的正向壓降和導(dǎo)通損耗，更能適應(yīng)高溫環(huán)境下工作；

　　2.SiC Mosfet管具有Si Mosfet管的輸入特性，即相當(dāng)?shù)偷臇艠O電荷，導(dǎo)致性能卓越的切換速率；

　　3. 寬禁帶寬度材料，具有相當(dāng)?shù)偷穆╇娏?，更能適應(yīng)高電壓的環(huán)境應(yīng)用；

　　三、 驅(qū)動(dòng)電路要求

　　Sic Mosfet具有與Si Mosfet管非常類似的開(kāi)關(guān)特性，通過(guò)對(duì)Si Mosfet的特性研究，其驅(qū)動(dòng)電路具有相同的特性：

　　1. 對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路來(lái)講，最重要的參數(shù)是門(mén)極電荷，Mosfet管的柵極輸入端相當(dāng)于是一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)，因此器件在穩(wěn)定導(dǎo)通時(shí)間或者關(guān)斷的截止時(shí)間并不需要驅(qū)動(dòng)電流，但是在器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中，柵極的輸入電容需要充電和放電，此時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電路必須提供足夠大的充放電脈沖電流。如果器件工作頻率越快，柵極電容的充放電時(shí)間要求越短，則要求輸入的柵極電容越小，驅(qū)動(dòng)的脈沖電流越大才能滿足驅(qū)動(dòng)要求；

　　2.柵極驅(qū)動(dòng)電路必須合理選擇一定的驅(qū)動(dòng)電壓，柵極的驅(qū)動(dòng)電壓越高，則Mosfet的感應(yīng)導(dǎo)電溝道越大，則導(dǎo)通電阻越??；但是柵極驅(qū)動(dòng)電壓太大的話，很容易將柵極和漏極之間絕緣層擊穿，造成Mosfet管的永久失效；

　　3.為了增加開(kāi)關(guān)管的速度，減少開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間是有必要的；且為了提高M(jìn)osfet管在關(guān)斷狀態(tài)下的工作可靠性，將驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)成在關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)候，在柵極加上反向偏置電壓，以快速釋放柵極輸入電容的電荷，減少了關(guān)斷時(shí)間，使得驅(qū)動(dòng)電路更可靠地關(guān)斷Mosfet；但是反向的驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)增加電路損耗，反向偏置電壓最好不要超過(guò)-6V；

　　4.當(dāng)驅(qū)動(dòng)對(duì)象是全橋或者半橋電路的功率Mosfet，或者是為了提高控制電路的抗干擾能力，此時(shí)將驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)成隔離驅(qū)動(dòng)電路；實(shí)現(xiàn)電隔離的方式可以通過(guò)磁耦合變壓器和光耦合器件；但是不管采用磁耦合變壓器還是光耦合器件，都要保證耦合器件的延遲時(shí)間與耦合分布電容；采用的隔離電源也必須具有高隔離、快速響應(yīng)時(shí)間與低耦合電容的特性。

　　四、 隔離電源特性需求

　　從驅(qū)動(dòng)電路的特性來(lái)看，要求驅(qū)動(dòng)電源具有以下特性：

　　1.為了適應(yīng)高頻率的使用要求，要求驅(qū)動(dòng)電源具有瞬時(shí)的驅(qū)動(dòng)大功率特性，即要求具有大的容性負(fù)載能力；

　　2.為了適應(yīng)高電壓應(yīng)用使用要求，要求驅(qū)動(dòng)電源具有高耐壓能力并且具有超低的隔離電容，來(lái)減少高壓總線部分對(duì)低壓控制側(cè)的干擾；

　　3.隔離驅(qū)動(dòng)電源必須具有合適的驅(qū)動(dòng)電壓，即要求電源具有正負(fù)輸出電壓，并且正負(fù)輸出電壓不是對(duì)稱輸出特性；

? ? ? 金升陽(yáng)針對(duì)SiC隔離驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)，推出了SiC Mosfet驅(qū)動(dòng)專用電源QA01C。該電源電氣性能參數(shù)全部達(dá)到SiC Mosfet驅(qū)動(dòng)電路的要求，如：

　　?不對(duì)稱驅(qū)動(dòng)電壓，輸出電壓 +20/-4VDC 輸出電流+100/-100mA

　　?大容性負(fù)載能力，容性負(fù)載為220uF

　　?高隔離電壓，達(dá)到3500VAC

　　?極低的隔離電容，低至3.5pF

　　此驅(qū)動(dòng)電源還滿足了其他性能參數(shù)特點(diǎn)，具體功能如下：

　　? 效率高達(dá)83%

　　? 工作溫度范圍： -40℃ ~ +105℃?

　　? 可持續(xù)短路保護(hù)

圖1.QA01C實(shí)物圖

　　QA01C具有完整的驅(qū)動(dòng)電路推薦，通過(guò)SiC驅(qū)動(dòng)專用電源得到不對(duì)稱的正向驅(qū)動(dòng)電壓20V，負(fù)向偏置關(guān)斷電壓-4V；為了防止驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)柵極造成損壞，增加D2和D3來(lái)吸收尖峰電壓是很有必要的。SiC驅(qū)動(dòng)器采用一般驅(qū)動(dòng)芯片即可；為了實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與主功率回路的隔離，需要采取隔離措施，推薦采用常見(jiàn)的光耦隔離方案。采用的光耦必須具有高共模抑制比（30KV/us）和比隔離電源大的隔離耐壓并且具有極小的延遲時(shí)間來(lái)適應(yīng)SiC Mosfet管的高頻率工作特性。

　　圖2.SiC驅(qū)動(dòng)電路推薦

　　五、 總結(jié)

　　通過(guò)對(duì)SiC Mosfet管與Si IGBT管相關(guān)電氣參數(shù)進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)SiC Mosfet將成為高壓高頻場(chǎng)合下的應(yīng)用趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)SiC Mosfet管的開(kāi)關(guān)特性的研究，金升陽(yáng)推薦了能簡(jiǎn)化其隔離設(shè)計(jì)的專用電源QA01C，同時(shí)也推薦了基于SiC Mosfet的驅(qū)動(dòng)電路。

　　參考文獻(xiàn)：

　　【1】 錢(qián)照明等。 中國(guó)電氣工程大典［M］。 北京：中國(guó)電力出版社，2009.6

　　【2】 Keith Billings著。 張占松等譯。 開(kāi)關(guān)電源手冊(cè)［M］。北京：人民郵電出版社，2006.12

　　【3】 童詩(shī)白 華成英著。 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］。北京：高等教育出版社，1999