摘 要：
由于碳化硅材料具有宽带隙、高临界电场强度、高饱和速度和高导热率的特性，其可达到比硅器件更高的耐压值、更快的开关速度和更高的工作结温，使得碳化硅器件成为理想的新一代电力电子器件。为了满足碳化硅器件在高温情况下应用的需求，驱动电路同样需要具备高温下工作的能力。对现阶段高温驱动电路发展情况进行了总结，提出一种基于变压器隔离与高温硅基分立器件的高温驱动电路，并在OrCADPSpice环境下对电路进行仿真分析，随后在高温箱中进行实验，对提出的高温驱动电路工作性能进行评估。
引言
碳化硅是一种半导体材料，因其具有宽带隙、高击穿电压、高导热率和高电子饱和速度等特性，在近几十年来一直受到研究人员的广泛关注“”，然而受到制造工艺限制，直到2002年前后研究人员才成功制造出可使用的碳化硅器件，2010年前后碳化硅功率器件才得以产品化，而碳化硅集成电路仍处于研发阶段。由于碳化硅材料具有的宽带隙和高导热率特性使得碳化硅器件在高温应用中相比其他材料更具潜力。虽然碳化硅器件在高温情况下应用也需要考虑合理的降低额定值使用，但相比于无法在高温情况下工作的硅器件，其仍为高温应用开拓了较广泛的应用空间。
到目前为止，研究人员已经在200℃高温下对额定电压为1.2kV的碳化硅功率金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET)进行了测试²。依据测试结果，在200℃高温情况下，参照温度25℃时的测量值，碳化硅器件阈值电压通常降额至温度25℃时的2/3，特定导通电阻通常增长至温度25℃时的2/3倍。由于导通电阻增大，器件损耗增加，在高温工作情况下，为了保证碳化硅MOSFET工作，必须进行合理降额使用。
考虑合理降额使用外，在高温环境下使用碳化硅器件的另一个问题是寻找可以匹配碳化硅高温高速性能的门极驱动器电路。在对高温工作无要求的情况下，高速大电流的集成驱动电路可从德州仪器等主要集成电路供应商处获取『”，而不必进行定制设计，门极驱动电路实现较易。然而，在高温情况下（这里特指温度150℃以上)，寻找合适的集成驱动电路非常具有挑战性，鲜有基于硅工艺的芯片具有150℃以上的最高结温。改善硅基半导体的温度等级，需要运用特殊的高温绝缘衬底硅工艺，基于高温绝缘衬底硅工艺的门极驱动器集成电路能够在高达225℃的温度下工作”。文献[5]的研究表明，结合高温绝缘衬底硅工艺的集成电路和高温碳化硅器件的电力电子电路可在150℃温度下工作。文献[6]提出的一款基于高温碳化硅和高温绝缘衬底硅工艺的功率模块也已在高达250℃温度情况下进行了测试。这些研究均表明，绝缘栅衬底硅工艺的集成电路有效提升了硅集成电路的最高结温。相比高温绝缘衬底硅工艺集成电路技术，碳化硅工艺集成电路技术在极端环境应用方面更具吸引力。然而，碳化硅集成电路仍停留在实验室研究阶段，半导体工艺开发耗资巨大、困难重重，从研究人员开始关注碳化硅的优良特性到第一款碳化硅分立器件走向市场，人类花费了近半个世纪的时间，碳化硅集成电路在短时间内很难在市场上出现。
所以，暂不考虑碳化硅集成电路技术。可用于制作门极驱动电路的技术中，现有的成熟技术为硅分立器件技术及硅集成电路技术，现有的可应用新技术为高温绝缘衬底硅工艺集成电路技术，其中高温绝缘衬底硅工艺集成电路技术在以往的研究中已展现出优良的高温工作能力。然而，高温绝缘衬底硅工艺集成电路技术作为一项新技术，国际上仅有几家公司可应用此项技术制造出可使用的高温集成电路，且售价极其高昂，单颗芯片的价格甚至可超过绝大多数功率模块的价格。综上所述，在高温驱动电路上所面临的困难是，碳化硅集成电路尚未成熟，高温绝缘衬底硅工艺芯片异常昂贵，而成熟的硅集成电路技术无可用的高温解决方案，亟需一种平衡价格与性能的高温驱动电路解决方案。
为了寻找高性价比的方案，首先对高温绝缘衬底硅集成电路技术和碳化硅集成电路技术的高温工作原理进行简要分析。如图1所示，基于绝缘衬底硅集成电路技术的横向MOSFET结构比基于硅集成电路技术的更为复杂，在绝缘衬底硅集成电路技术中，MOSFET建立在硅衬底的绝缘层之上，而非传统硅集成电路技术中，MOSFET直接建立在硅衬底之上。该隔离层的功能是减少在所述硅衬底中的漏电流，有效抑制高温工作中漏电流的增加，这使得高温绝缘衬底硅集成电路技术成为理想的硅基集成电路技术「。在碳化硅集成电路中，由于碳化硅材料固有的宽带隙特性，其集成电路器件漏电流远小于硅集成电路器件漏电流，无需绝缘衬底即可应用在高温场合。基于以上讨论，高温集成电路设计的关键是减小器件漏电流。回顾硅分立器件技术，由于在分立器件电路中，器件天然的分离在不同的衬底之上，不同器件之间衬底上的漏电流就不会存在，也就是说成熟的硅分立器件技术可能会是可行的解决方案。虽然温度的变化会造成元器件参数漂移，但通过选择适当的器件并留有足够的余量，分立器件电路仍可设计成在高温环境可正常工作。利用分立器件搭建高温门极驱动电路是一套可行的方案。
为了探索高性价比高温门极驱动电路，本文对分立器件的方案进行了研究讨论。首先对高温元器件选择标准进行了讨论，依据可选用的高温元器件设计高温门极驱动电路，并通过计算机仿真对电路性能进行初步研究，然后制作了所提出的门极驱动电路，并在温度高达190℃的温箱中进行了测试评估。最后，根据实验结果，对未来分立器件高温驱动电路的设计进行讨论。
影响主要有3种：
①随着温度的升高，元器件使用寿命下降；
②随着温度变化范围的扩大，元器件所能承受的热循环次数减少；
③在温度大范围变化过程中，元器件的部分参数会发生巨大变化。
总体来讲，由于温度变化引起各种参数变化会使元器件工作性能发生各种变化，而这一切变化并不是一个瞬间剧变的过程，简单的标称温度并不能完善的描述一款元器件的温度性能。至于是否可在某一温度下使用某一款元器件，需要实验来证明这一款元器件是否在这一温度下具有合适的工作性能以及是否可经受足够多次的热循环和是否有足够长的使用寿命。
1.1高温电阻器
对于电阻器，温度升高会对电阻元件的散热能力和阻值漂移产生影响。阻值漂移会对电路运行造成一定影响，但在留有一定余量的情况下，不会造成电路无法工作。在高温工作情况下，加之电阻本身就是发热元件，散热能力是需要考虑的重点。一般来讲，适当选择大封装的电阻可有效改善散热能力。然而需要注意的是，为了获得良好的高频特性和较理想的电路体积，电阻选择以大封装贴片电阻为主。考虑成本因素，实验电路中选用电阻为VishayMCA 1206ATProfessional系列，额定最高温度为175℃，在实验中没有故障发生，但需要注意的是，超出额定最高温度虽然不会立即引发故障，但使用寿命会相应减小。电路定型之后则选取最高工作温度在250℃的PATT系列电阻器。
1.3高温电感器
对于电感器或变压器元件来说，需要从两方面进行考虑：一方面是绕线在高温下的绝缘，另一方面是磁心元件的温度特性。对于绕线的高温绝缘，耐高温漆包线与Kapton胶带的最高使用温度可在200C以上，较易满足要求。对于磁心元件的选择，铁粉磁心最高工作温度受到涂层材料限制而非居里温度限制，铁氧体磁心则受到涂层材料与居里温度的双重限制”，另一个影响磁心高温性能的是功率损耗，大多数材料最高效工作点约在100℃，当温度高于此点之后，随温度上升磁心效率降低。虽然功率损耗在信号隔离应用中并不敏感，但它严重影响功率应用的效率。一般来说，铁粉磁心的效率低于铁氧体磁心，特别是在高频情况下。本文选用Magnetics的L型铁氧体磁环绕制用于电气隔离的信号变压器，L型材料的居里温度高达300℃。
1.4高温有源器件
有源器件是半导体晶片和机械封装的组合。晶片主要确定半导体的高温电气性能，而封装影响高温下组件的可靠性。在选择高温有源器件时，芯片和封装的温度特性都需要考虑。ONSemiconductor和CentralSemiconductor可提供采用TO-39金属封装的BJT，额定最高结温可达200℃。本设计中主要选用了Q2N3019、Q2N2219A和Q2N2905A三种型号。虽然阈值电压随温度升高而降低，但高温环境下的工作性能可以接受。ONSemiconductor、FairchildSemiconductor和NXP Semiconductor提供ShottkyDiode和Zener Diode的额定最高结温达200℃。本设计中选用了FDLL485B、1N5337BG和1N5347BG。
2、高温驱动电路设计
本文所提出的高温门极驱动电路的原理框图如图2所示。一次侧部分位于室温环境，二次侧部分位于高温环境。一次侧控制电路通过脉冲变压器与二次侧门极驱动电路隔离。调理电路获取来自控制电路的PWM信号，发射机修改在一次侧上的信号波形，接收机重塑在二次侧上的信号波形。电平移位器将接收机重塑的PWM信号调整至门极信号所需要的电压电平，随后的推挽电路提高了门极驱动电路的电流输出输人能力。
仿真平台，发射机部分被等效替换为一个脉冲发生器，门极驱动电路电源由直流电压源表示。在脉冲变压器一次侧与二次侧之间添加R，和R，用来简化仿真中变压器一次侧和二次侧之间的寄生参数。R，和R仅可用于简化仿真平台，并不能代表完整的脉冲变压器一次侧与二次侧之间的寄生参数，若要对脉冲变压器进行建模，还需考虑一次侧与二次侧之间的寄生电容以及变压器绕组中的寄生电容。相关参数需要通过阻抗分析仪的精确测量获得，在这里以讨论电路设计为主，对脉冲变压器模型不做深人讨论。为了使仿真易于复现，被驱动的碳化硅MOSFET由一个1nF的电容C，代替，所有门极驱动电阻被设置为1。在高温门极驱动电路中，所选择的高温双极型晶体管为Q2N3019、Q2N2219和Q2N2905，可直接从PSpice的模型库中选用。
着温度的升高，导通延迟时间、开通时间和关断时间增加，而关断延迟时间减小。由于仿真平台中，为简化仿真模型，专注讨论电路原理，仅有源器件模型含有温度参数，无源器件均为理想模型，高温仿真仅可作为参考使用。虽然在实际电路中的性能会与仿真结果存在差别，但仿真模型依然可说明温度升高对电路性能产生影响的趋势，能够对实际电路性能做出一个较好的预测。
4实验验证
高温实验测试是在一个设置为190℃的环境测试箱内进行，实验装置如图12所示。箱内测试电路温度由多个K型热电偶测定，被测电路板的实际温度约为180℃。被测电路通过高温导线与外部相连，所有被测信号均由高温导线获得引出，在环境箱外部通过常温探针进行测量。
为验证门极驱动电路的驱动能力，一个产品化的碳化硅MOSFET(C2M1000170D）被安装在双脉冲测试电路中，并由所提出的高温驱动电路在高温环境中驱动。双脉冲测试电路的负载电感和母线电容被放置在热室的外部，这些部件仅作为测试使用，不属于所提出高温驱动电路的一部分，所以采用常温器件置于常温中使用。为减小长母线引人的电感的影响，一个100μF的高温陶瓷电容被安装在双脉冲测试电路板上，一同暴露在高温环境中。
门极驱动输出信号实验随温度变化如图14和图15所示，随着温度上升，门极驱动电路开通时间和关断时间增加，导通延迟与关断延迟变化较大。图14和图15中为集中体现开通时间与关断时间变化而未引人延迟，导通延迟增加约400ns，关断延迟增加约600 ns。
5结论
本文设计并评估了一种高温门极驱动电路，着重对该门极驱动电路的元器件选型与工作原理进行了讨论，对该门极驱动电路进行了基于OrCADPSpice的计算机仿真，并对计算机仿真结果进行了分析。基于计算机仿真结果，制作了门极驱动电路原型，并进行了高温环境下的初步实验，测试环境为190℃的环境测试箱。实验测试表明，尽管器件参数随温度变化产生漂移，门极驱动电路仍可提供可接受的高温工作性能。论证了分立器件电路设计碳化硅器件高温门极驱动的方案是可行的。未来，将会对分立器件的碳化硅门极驱动电路进行更加深人的探讨，并与基于高温绝缘衬底硅技术的集成电路门极驱动进行详细对比。
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