摘要：
随着社会的发展，人们对生活质量和环境要求的不断提高，电动汽车电源模块作为智能微网的重要组成部分，每年的使用量逐年增加，意味着电动汽车的电源模块行业发展潜力巨大，提高其转换效率和功率密度是其发展的重要方向，而这一切离不开电力电子器件。本文针对SiC功率MOSFET在电动汽车电源模块中的应用进行了研究。
首先，简述了电源模块的设计指标，分析了电源模块的电路原理和各部分电路的功能，重点介绍了电源模块采用SiC功率MOSFET的优势，并对其结构和静、动态特性进行了分析，基于感性负载Boost电路（在CCM模式）对其开关过程进行了详细讨论。
其次，对比了SiC功率MOSFET和Si功率MOSFET、IGBT的特性参数差异，给出了SiC功率MOSFET的驱动电路的设计考虑，提出了其驱动电路的设计方案。利用Saber仿真软件，建立了SiC功率MOSFET的模型，并基于驱动电路仿真验证了此模型的开关特性。在搭建的实际驱动电路上测试了SiC功率MOSFET的开关特性，验证了不同驱动电阻对其开关特性的重要影响。
最后，研究了电源模块前级电路选用的H桥双管Buck-Boost电路拓扑，采用Saber仿真软件分别对Buck和Boost工况进行了仿真，并在实际电路板上对电源模块进行了主要性能测试。结果表明，与SiIGBT相比，采用SiC功率MOSFET时，电源模块在整机效率、体积、开关管的温升等方面明显改善。
3、SiC功率MOSFET的驱动设计
本章对比分析了SiC功率MOSFET和Si功率MOSFET、IGBT的参数差异，设计了驱动电路的总体方案。利用Saber仿真软件，建立了SiC功率MOSFET的模型，并将此模型应用在设计的驱动电路上，仿真验证了SiC功率MOSFET的开关特性。在实际中搭建了驱动电路，在其上测试了SiC功率MOSFET的开关特性，验证了使用不同的驱动电阻，对其开关特性的影响。
3.1驱动电路的设计
为了设计SiC功率MOSFET的驱动电路，首先对比一下SiC和Si功率器件的参数差异。因为SiC功率MOSFET、SiMOSFET和IGBT均属于压控型的开关器件，所以三者在驱动方面具有诸多的共同点，但又由于SiC、Si功率器件之间存在特性差异，所以也会对驱动设计产生不同的影响，下面通过SiC功率MOSFET、Si功率器件的参数对比分析，得到在设计SiC功率MOSFET的驱动时，需要注意的要点。表3-1对比了SiC功率MOSFET、Si功率器件的参数，选取的器件具有相近等级的耐压和耐流。
从表3-1中数值可以看出：
(1)SCT3040KL的总开通时间ton是53ns，总关断时间toff是63ns；IKW40N120H3的ton是87ns，toff是326ns；IXFB30N120P的ton是117ns，toff是151ns。总之，相比于Si功率器件，SiC功率MOSFET的开关速度更快，意味着其具有更小的开关损耗。
(2)SCT3040KLSiC功率MOSFET的栅极电荷只有88nC，比Si功率器件都小，意味着更容易出现栅源电压的振荡。
因此，虽然SiC功率MOSFET更适合高频应用，但是要避免栅源电压出现振荡，驱动电路的设计就显得尤为重要。
3.1.1驱动电路的设计考虑
根据SiC功率MOSFET与Si功率器件对比分析可知，SiC功率MOSFET驱动电路的设计，应该重点从以下几个方面考虑：
(1)栅极驱动电压
Si功率器件的栅极驱动电压一般为0V~+15V，但是SiC功率MOSFET的栅极驱动电压通用范围为-3V~+22V。这样相对较大的驱动电压有利于使导通损耗、开关损耗减小，并且可以提升浪涌电流的能力；利弊相间，较大的驱动电压使栅氧化层承受更重的压力，对于栅极电压的稳定性不利。基于上述利弊，SiC功率MOSFET的驱动电压，一般取栅极正压在17V~20V范围，取负压在-3V~0V范围。
(2)栅极回路的寄生参数影响
在高频率的应用中，SiC功率MOSFET的驱动电路有效性，会受到寄生电感的影响，因此在设计中，驱动电路与SiC功率MOSFET的距离采取尽可能靠近原则。SiC功率MOSFET是一种少子器件，与SiIGBT相对，其不会在关断时出现拖尾电流明显的迹象，这也就使得SiC功率MOSFET比SiIGBT的关断速度快。然而，SiC功率MOSFET在关断时，由于没有拖尾电流，会产生比SiIGBT更严重的振铃现象。SiC功率MOSFET具有的低阈值、高振铃特性，使得其在关断时，关断速度变慢，损耗相应增加，甚至出现误导通，导致危险的情况发生。因此，在实际应用中，为SiC功率MOSFET选取匹配的驱动电阻，以及在SiC功率MOSFET关断时，选取负的栅极电压使其关断，在其驱动电路的设计中非常重要。
(3)驱动电阻RG的作用
通过SiC功率MOSFET的特性分析可知，对于驱动电路设计，选择合适的驱动电阻非常重要。对于SiC功率MOSFET的高速开关应用，若采用小阻值RG可以最大程度减小开关损耗，但同时会导致更大的电流变化率、电压变化率以及EMI问题。因此，设计中需要在开关速度、损耗和可靠性多方面折中，如果在多个SiC功率MOSFET并联应用的情况下，栅极电阻RG的选择，也将影响多个SiC功率MOSFET的动态均流特性，适当的降低RG值，有利于消除各管之间的开关损耗差异
3.1.2设计方案
驱动电路的设计主要是对驱动电压、峰值驱动电流、隔离方式等的设计，下面逐一对每个子单元进行设计，最终得到本文提出的驱动设计方案
(1)驱动电压的选择
本文选取开关器件为SiC功率MOSFETSCT3040KL，其规格书中给出了栅源电压的允许范围为-4V~22V。根据2.3.2中，对SCT3040KL转移特性和阈值电压的分析，得知其阈值电压呈负温度系数变化，当应用环境发生变化时，可能会导致SCT3040KL的误动作；对SCT3040KL输出特性的分析，得知当漏极通过相同电流时，采用大的驱动电压，可以降低SCT3040KL的通态压降和导通电阻，相应的减小其导通损耗。虽然SiC功率MOSFET的关断，因为其阈值电压较小，一般为了避免其在快速关断时，由杂散电感产生的振荡电压，耦合到栅源两端导致其误动作，选择负电压关断，但是考虑到SCT3040KL在150℃结温时，其阈值电压只降到约3.5V，为了方便驱动电路的设计，本文的关断电压采用SCT3040KL规格书推荐的0V；SiC功率MOSFET的驱动电压选取大值，虽然可以使其导通损耗降低，避免其因过热而导致热失效，但并不是越大的栅极驱动电压越好，过大的栅极驱动电压会使栅氧化层的可靠性降低，甚至导致其击穿，本文尽量选取了可以确保栅极可靠性的较大值，即采用SCT3040KL规格书推荐的18V。
(2)峰值驱动电流的计算
峰值驱动电流是SiC功率MOSFET开关速度、开关损耗至关重要的一项参数，由于开关器件的开关延迟时间，主要决定于电容充放电的延迟时间，式(3-1)给出了其计算公式如下：
在SCT3040KL的规格书中，可以查到与其开通、关断相关的时间参数，列举如表3-2所示，可以看到其测试的条件为VDD=400V、ID=20A、VGS=0V/18V、RG=0Ω、RL=22Ω。可见，当SCT3040KL的栅极不加电阻时，其开关速度非常快，开通的总时间为60ns，关断的总时间为73ns，即总开关时间为133ns。因此，在1MHz开关频率下，SCT3040KL很具有应用优势。另一方面，当SCT3040KL的栅极不加电阻时，其驱动电流需求也是最大的，从表3-2中数据可以得出：SCT3040KL在开启时，平均的驱动电流约需求1.5A；在关断时，平均的驱动电流约需求1.2A。在电源模块设计中，由于输出功率较大，所以采用两颗SCT3040KL并联使用，因此驱动电路需要双倍的驱动电流，开启时需求约3A的平均驱动电流，关断时需求约2.4A的平均驱动电流。基于此，驱动电路设计时，应该选择可以输出如此大电流的驱动芯片。
(3)隔离方式的选择
为了降低主电路对控制电路产生干扰，需要对主电路和控制电路进行电气隔离，隔离驱动的方式以光电耦合器和脉冲变压器最为常用，图3-1和图3-2分别给出了其驱动电路。
光电耦合器以光信号传输实现输入和输出的电气隔离，而脉冲变压器传输电信号的载体是磁场，输入与输出也实现了电气隔离。但是脉冲变压器通常具有较低的信号传递频率，一般是1kHz-1MHz；光电耦合器具有较高的信号传递频率，一般可达10MHz以上。另一方面，脉冲变压器比较适合传输较窄的脉冲信号，而光电耦合器对信号的脉宽没有特殊的要求。另外，与脉冲变压器相比，体积是光电耦合器最显而易见的优势。综上所述，光电耦合器主要具有以下几方面特点：
1、光接收器只能对光信号单向接收，而不能对其发射，因此在信号传输过程中，不会出现信号反馈现象，加强了其抗干扰能力。
2、输入端到输出端的绝缘电阻非常大，达到10^10Ω以上，因此具有耐压极高的优势，一些高端光耦器件的耐压可以达到10kV以上。
3、发光器件通常采用红外二极管，因为其驱动靠阻抗电流，所以其产生的噪音信号具有高内阻、微电压、微电流的特点，故其具有的共模抑制比，使其能够很好地抑制，甚至消除噪音污染。通常，当信号需要在PCB板上长距离传输时，终端隔离器件采用光电耦合器，可以明显地提高其信噪比。
4、因为光耦比晶体管的隔离性能，以及抗干扰的性能都好，因此逻辑电路采用光耦，可以做到更加可靠。
5、信号传递速度高、工作稳定性好、耐冲击性强、使用寿命长、体积较小。
本文采用AvagoTechnologies公司的ACPL-W346高速光耦，其可以提供VCC到GND的输出电压，连接了DSP控制芯片和驱动芯片，类似于传输纽带，而且其具有极快的响应速度，典型值约50ns，因此在具有高开关速度的SCT3040KL驱动应用中非常适合。
(4)驱动电路的总设计方案
本文针对SCT3040KL设计的驱动电路总体方案如图3-3所示，DSP控制芯片选取美国TI公司生产的TMS320F28035。由于DSP给出的PWM信号仅有约3.3V，不能驱动光耦和SCT3040KL，所以先经过一级推挽放大，然后经过光耦隔离后传输给IXYS的驱动控制芯片IXDN604SIA，再经过驱动电阻驱动SCT3040KL。
3.2驱动电路的仿真
为了模拟出SCT3040KL的电气特性，以及仿真验证本文设计的驱动电路与其工作特性是否匹配，本文采用美国Synopsys公司研发的Saber仿真软件。这款仿真软件被使用者称为全球最领先的系统级EDA仿真软件，特点是适应于多领域、多技术的仿真验证，目前已经成为多个领域的业界标准，比如混合信号、混合技术的设计、验证工具，适用于电子、机械、光学、光电和控制等不同种类系统组成的混合系统的仿真验证，是一个具有强大功能的混合信号的仿真器，特别在复杂混合信号的设计和验证中展现了重要的作用。另外，这款仿真软件既能混合仿真控制量、模拟量和数字量，又能处理系统开发中涉及的设计验证等多种类型的问题。
使用Saber仿真软件中的ModelArchitect功能，根据SiC功率MOSFETSCT3040KL的规格书参数，创建SCT3040KL在室温(25℃)环境下的仿真模型，具体步骤如图3-4所示，点击SaberSketch中的ModelArchitect，界面显示如图3-4(a)所示；然后点击PowerMOSFETTool工具对SCT3040KL的具体参数进行仿真，界面显示如图3-4(b)~(f)所示。
使用Saber仿真软件的功能，调用软件自带或使用者自建的元器件模型，搭建感性负载的Boost电路（工作在CCM模式），如图3-5所示。根据SiC功率MOSFET(SCT3040KL)的开关特性，设置电路中各元件的参数，其中设置直流源电压VDD=80V、驱动电压VG=18V、频率=50kHz、占空比=0.5、驱动电阻RG=5.4Ω、负载电阻RL=8Ω，L=440μH，运行仿真后得到SCT3040KL的VDS和ID开关波形如图3-6(a)~(f)所示。
3.3驱动电路的测试及其分析
根据仿真电路搭建实际电路，实际测试波形时使用信号发生器驱动SiC功率MOSFETSCT3040KL，直流电源提供VDD，示波器测试VDS和ID波形，测试波形的配置如图3-7所示。
测试条件与仿真条件一致，即直流源电压VDD=80V、驱动电压VG=18V、频率=50kHz、占空比=0.5、驱动电阻RG=2.7Ω、负载电阻RL=8Ω，实际测试得到SCT3040KL的主要开关波形，其开关工作时的VDS和ID波形如图3-8(a)~(f)所示。
当驱动电阻RG=5.4Ω时，实测SCT3040KL的VDS和ID开关波形如图3-9(a)~(f)所示。
从图3-8和图3-9可以看出：当驱动电阻RG取不同值时，SiC功率MOSFETSCT3040KL的开关特性会有所不同，RG分别取2.7Ω和5.4Ω，对应的开通特性几乎无差异，对应的关断特性存在差异，关断VDS峰值分别是150V和144V，对应的VDS上升时间分别是80ns和100ns，对应的关断dv/dt分别是1.73V/ns和1.32V/ns，电阻逐渐增大时，SCT3040KL的开关速度会下降，VDS的峰值会下降，VDS的关断dv/dt也会下降。因此，驱动电阻的阻值会影响SiC功率MOSFETSCT3040KL的开关特性，尤其是关断特性，故本文为了最大化的降低开关管的开关损耗，开通驱动电阻选取2.7Ω，关断驱动电阻选取5.4Ω。
3.4本章小结
本章通过对比SiC功率MOSFET和SiIGBT、MOSFET的参数差异，设计了SiC功率MOSFET驱动电路的总体方案，主要是采用高速光耦隔离方式，驱动电压的高低电平分别选0V和18V。通过实际驱动电路的测试分析结果表明，采用的驱动电阻值越小，其开关速度越快，引起的关断点电压尖峰越高，振荡越严重。故选择开通和关断驱动电阻分别为2.7Ω和5.4Ω，即采用较高的栅极电阻来抑制关断电压尖峰及其上升率。
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