大功率SiC MOSFET 模块驱动技术研究

作者：周帅1,2，张小勇1，饶沛南1，张庆1，施洪亮1（1.株洲中车时代电气股份有限公司；2. 变流技术国家工程研究中心）

1 SiCMOSFET 基本特性

1.1结构特点

如图1，得益于SiC材料的高绝缘击穿场强、高热导率等特性，高压条件下SiC-MOSFET外延层可以做得更薄，以使其兼具高阻断电压、高开关速度、低通态电阻、低热阻等优点，适合高压、高频工作场合应用。

1.2 开关过程

SiC-MOSFET与Si-MOSFET同样作为电压控制型器件，开关动态过程受内部寄生电容影响，虽然二者的内部结构一致，但是各参数存在差别。理想开通过程分为t0~t1、t1~t2、t2~t3、t3~t4四个阶段，详见下图。

关断过程与开通过程类似，时间顺序相反，不再赘述。

2 驱动关键技术

2.1 基本驱动电路

由于SiC-MOSFET具有开关速度快、输入阻抗高、开通阈值电压低等特点，工作过程易受干扰，驱动电路应采用隔离电源，不同驱动通道间、驱动输出与信号输入间也均需隔离处理。图4给出了一种基于驱动信号电磁隔离的SiC-MOSFET驱动电路方案。

2.2 漏极电压有源钳位

因SiC-MOSFET关断速度极快且无拖尾电流，若在电路过流、短路等异常情况下实行硬关断，较大的di/dt将在其漏源极产生很高的电压尖峰，而采用漏极电压有源钳位则可在异常工况下迅速钳住开关管漏源极电压，避免器件损坏。

图5给出了一种漏极电压有源钳位方案。其中，对瞬态电压抑制二极管（TVS）的合理选型是保证电路正常工作时无误触发，当出现漏极过压的异常工况，驱动电路能及时有效实施保护的关键。

2.3 桥臂串扰抑制

大功率桥式开关电路中，快速的开关动作会使桥臂串联的上下管间形成较严重的串扰问题。抑制桥臂串扰主要有以下几种方案：

①在栅源极并联电容，以减小串扰电流对栅极电压的抬升，但此方法会造成开关速度变慢，驱动功率增加等问题，不能满足SiC-MOSFET高频应用需求；

②栅源极采用负压关断，以抬升开通阈值电压相对门槛，但由于SiC-MOSFET栅极负压承受能力较弱，在另管关断时叠加的串扰负电压可能造成SiC-MOSFET栅极反向击穿；

③设置独立的栅极开通、关断电阻，并通过减小栅极关断电阻阻值为串扰电流提供低阻抗释放回路，但栅极关断电阻阻值过小又将引发关断过程振荡等问题；

④增加栅极有源钳位电路（米勒钳位电路），如在开关管栅源极增加PNP三极管吸收电路，当桥臂中的另管开关动作时产生的串扰信号将驱动PNP三极管导通，钳位本管栅极电压，从而起到串扰抑制作用。

以上给出了抑制桥臂串扰的几种方案，在实际应用中还需结合产品具体情况，从系统最优化角度综合考虑。

2.4 过流检测与保护

功率开关器件较为常用的过流检测方案主要有退饱和检测、寄生电感检测、栅极（门极）电压检测、镜像电流检测等。针对大功率SiC-MOSFET应用，可采用基于镜像电流的过流检测与保护方案，如图8所示。

t1~t2：t1时刻，SiC-MOSFET漏极电流ID达到过流值ISC时，镜像电流IRS（IRS=ID/N）经电阻RRS采样触发比较器IG1状态翻转，使其输出高电平脉冲信号驱动三极管VR导通，从而将SiC-MOSFET栅极电压VGS进行下拉，并在t2时刻将ID控制在ISC以内；

t2~t3：该区间内D触发器IG2将比较器IG1的输出状态锁存，使电路继续保持对栅极电压VGS的下拉动作，并最终将其钳位至0 V附近，期间ID随着VGS的降低而减小至0 A附近，该阶段完成了对SiC-MOSFET过流的软关断；

t3~t4：t3时刻，通过驱动处理单元进行彻底保护，给入SiC-MOSFET栅极负压，保证器件最终的可靠关断，完成整个过流保护。

3 测试分析

3.1 开关特性测试

与Si-IGBT相同的是，随着驱动电阻增大，器件开关过程时间延长，漏源极关断电压尖峰降低；与Si-IGBT不同的是，SiC-MOSFET开关过程中栅极电压无明显米勒平台、无明显关断拖尾电流、二极管反向恢复电流Irec非常小，开关波形存在振荡。

由于SiC-MOSFET跨导值较小，开关过程中栅极电压的米勒平台并不明显；MOSFET 为单极性器件，工作过程无少数载流子积聚现象，因此关断时无类似IGBT的拖尾电流；反并联二极管采用SiC-SBD，一方面具有Si-SBD关断快速且无反向恢复现象的优势，另一方面解决了Si-SBD反向漏电流大、阻断电压低的问题，适用于高压环境；SiC-MOSFET开关速度非常快，开关过程漏源极电压变化率很大，导致米勒电容快速充放电引起波形振荡，因此其应用电路设计需要对系统杂散参数更加关注。

功率器件连接母排的设计原则是，通过对主电路杂散电感的控制，保证功率管在最大工况下所引起的电压峰值不超过器件自身安全工作电压。双脉冲试验显示：在母线电压600V、最大电流892A情况下，SiC-MOSFET关断电压尖峰达908V，满足1200V/800A等级器件应用要求。对于该1200 V等级SiC-MOSFET应用在最高母线电压600 V、最大电流800 A的情况下，其连接母排设计应控制等效杂散电感值小于100 nH。

3.2 保护功能测试

图12（a）为漏极有源钳位保护波形，SiC-MOSFET关断过程中发生过压，触发漏极有源钳位电路迅速驱动栅极短时开通，为过压能量提供释放回路，及时将漏源极电压VDS钳位至948 V（保护动作设计值900 V），快速有效地实现了保护功能。

按前面2.4节所述镜像电流检测方案实施过流保护，如图12（b）所示，发生过流时，保护电路在t1=1.6 μs内将栅极电压拉至0 V附近，实现SiC-MOSFET软关断，有效抑制过流，再经过约t2=6 μs后驱动处理单元器件将SiC-MOSFET彻底关断，完成过流保护。

3.3 测试干扰问题

对栅极电压测试电路进行等效分析，采用高精度示波器及无源电压探头测试SiC-MOSFET驱动波形，发现测试过程中波形振荡剧烈，如图14（a）所示。由于SiC-MOSFET开关速度很快，导致dIScope/dt较大，因此在相同测试工况下降低探头寄生阻抗可有效减小测试干扰。

如图14（b），通过缩短探头“探针-地”间环路长度、减少环路面积，波形振荡问题大为改善。

4 结语

本文重点研究了包括漏极电压有源钳位、电路桥臂串扰抑制、过流检测等在内的大功率SiC-MOSFET模块驱动关键技术，通过双脉冲测试验证了驱动及保护功能的有效性，为后续大功率SiC-MOSFET器件的应用提供了技术依据。

同时通过本文分析及试验可知，由于SiC-MOSFET开关过程漏源极电压变化率很大，容易带来波形振荡等问题，也将对其工程应用造成一定影响，后续在应用电路设计中还应注意对系统电路杂散参数的严格控制。