碳化硅(SiC) MOSFET 应用技术研究现状
碳化硅(SiC)MOSFET 建模
虽然SiC MOSFET比传统的Si MOSFET有很多优点，但其昂贵的价格却限制了SiC MOSFET的广泛应用。近年来随着SiC技术的成熟，SiC MOSFET的价格已经有了显著的下降，应用范围也进一步扩展，在不久的将来必将成为新一代主流的低损耗功率器件。 在实际的工程应用及设计开发过程中，经常需要对SiC MOSFET的开关特性、静态特性及功率损耗进行分析，以便对整个系统的效率做有效的评估。因此，有必要建立一个精确的SiC MOSFET模型作为工程应用中系统分析和效率评估的基础。近年来，国内外研究人员对于SiC MOSFET的建模研究日渐深入，取得了较多的进展。其中部分文献着重于SiC MOSFET物理特性的建模，但不适用于工程应用中的分析和评估。部分文献采用了传统Si MOSFET的建模思想，一篇弗吉尼亚理工的硕士毕业论文，对1200V20A的SiC MOSFET进行建模，但该模型仅在分立的温度点下设置分立的参数组，其他温度点进行线性插值，模型随温度变化时的准确度不能保证。北卡罗来纳州立大学的王军博士提出了一种适用于10kV SiC MOSFET的变温度参数建模方法，对SiC MOSFET的建模具有普遍的指导意义，已得到业界比较广泛的认可和接受，Rohm公司也相继推出了600V及1200V的SiC MOSFET。因此，建立一个适用于目前主流中低压SiC MOSFET的模型就显得尤为重要。 SiC MOSFET 的驱动电路 由于SiC MOSFET器件特性与传统的Si MOSFET有较大差别，SiC MOSFET驱动电路也是一项研究的重点。相比于Si MOSFET，SiC MOSFET的寄生电容更小。以量产的CMF20120D 为例， 其输 入 电 容仅 有1915 pF， 但 与 其功 率 等 级 相 同 的 Si MOSFET IXFB30N120P的输入电容有22.5nF，两者相差超过十倍。因此，SiC MOSFET对驱动电路的寄生参数更敏感。另一方面，目前量产的SiC MOSFET的驱动电压范围为 -5V~ +25V ，建议驱动电压一般为-2V/+20V；而传统的Si MOSFET的驱动电压范围为-30V~+30V，建议驱动电压一般为0/+15V。因此，SiC MOSFET与传统的Si MOSFET相比，安全阈值很小，驱动电路的一个电压尖峰很可能就会击穿GS之间的氧化层，这也是驱动电路需要精心设计的另一个原因。 量产的SiC MOSFET设计了专用的驱动芯片。另一家SiCMOSFET也提供了关于驱动的相关资料。CMF20120D技术手册上提供的驱动电路，采用光耦隔离，驱动芯片采用IXDI414，-VEE与地之间需接入多个电容，以抵消线路感抗对驱动波形的影响。然而datasheet中并未给出+VCC和-VEE的电源解决方案，且IXDI414可提供14A的峰值电流，而实际应用过程中，驱动电路一般 很难从驱动芯片中抽取14A的电流，故这款驱动芯片并非很合适。 综上所述，结合SiC MOSFET本身的特点及优势，其驱动电路的设计应满足以下要求： 1) 满足SiC MOSFET高速开关的要求，使用驱动能力较强的驱动芯片。 2) 尽量减小驱动电路寄生电感的影响，在PCB布局时应加入适量的吸收电容。 3) 为保证SiC MOSFET的可靠关断，避免噪声干扰可能导致的误开通，应采用负压关断。 双有源桥(DAB)研究及应用 双有源桥(DAB)作为大功率隔离双向DC-DC变换器的一种，其拓扑最早由DeDoncker于1988年提出DAB主要应用于HEV中蓄电池侧与高压直流母线之间的双向能量传输、航空电源系统及新能源系统中，与其他大功率隔离双向DC-DC变换器相比，DAB的最大优势是其功率密度大，且体积重量相对较小。DAB结构对称，两边各由全桥结构的拓扑构成，可实现能量的双向传输，且能实现两侧的电气隔离。开关管应力较低，且没有额外的滤波电感，仅通过变压器的漏感作为能量传输单元，变换器可实现很高的功率密度。电流纹波不是很大，对输入输出侧的滤波电容的要求不是很高。DAB在一定功率范围内可以实现ZVS软开关，这样DAB的工作频率就可以设置得较高，可进一步减小变压器和滤波电容的体积，提高功率密度。 传统的DAB一般采用移相控制，其中φ为移相角，变压器原副边匝比设为n。当功率从VL流向VH时，开关管Q1、Q4超前Q5、Q8；当功率从VH流向VL时，开关管Q5、Q8超前Q1、Q4。但传统控制策略下的DAB有诸多问题，比如软开关范围窄、轻载时功率回流现象严重、电压输入范围窄等。
