摘要：
与传统硅基器件相比，碳化硅(SiC)器件的开关速度得到大幅改善，提高了变换器的功率密度与效率。然而过大的开关频率引起更为严重的栅极串扰问题，造成器件失效。分析了SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET)的开关过程与串扰产生原理，详述其设计过程，分析了外并电容的抑制串扰驱动电路，最后设计出一种带有信号隔离功能的可抑制栅极串扰的负压驱动电路。实验结果表明，所设计的SiC MOSFET驱动电路的驱动波形高低电平分明，而且有效抑制了栅极串扰问题，大幅减小器件的开关延时时间，降低了开关损耗。
1、引言
宽禁带、高掺杂浓度的SiC器件具有高频率、耐高压以及耐高温的优点，被广泛应用于功率变换器-。然而过快的开关速度导致器件承受更大的电压电流变化量，加之电路上的寄生参数不能完全消除，会引发严重桥臂串扰问题，导致器件失效。目前抑制桥臂串扰问题，常采用增加驱动电阻、器件栅源极并联外部电容方法，然而这些方法大都制约了器件的开关速度，增加了损耗。为了不牺牲器件的开关速度，充分发挥SiC MOSFET半导体器件的优良特性，详细分析了SiC MOSFET开关特性及串扰产生原因，得到驱动电路的设计要求，详述驱动电路的设计原理，针对桥臂串扰问题，提出一种基于负压关断的新型抑制串扰驱动电路，并与常规驱动电路进行实验对比，最终验证了所设计的驱动电路的有效性。
2、SiC MOSFET的开关过程及驱动要求
此处以双脉冲测试电路为例对SiC MOSFET开关过程进行分析。
SiC MOSFET的关断过程为开通过程的逆过程，即为输入电容C放电过程，开关过程原理相似，则不在此叙述。
2.2、SiC MOSFET的驱动要求
SiC MOSFET的开关行为与驱动电路紧密联系，通过对其开关过程以及器件特性进行分析，可以得到以下驱动电路的设计要求：①驱动电路的本质是控制电路与功率变换电路中间的信号放大电路，由于两端压差较大，为防止功率变换电路对控制电路弱电部分造成干扰，故驱动电路需要有良好的信号隔离功能；②SiC MOSFET的开关过程实际上就是对C充放电的过程，驱动电路需要提供足够的驱动电流；③由于SiC MOSFET开关速度较快且阀值电压与最大负向耐压较小，容易受到互补桥臂串扰的影响，造成开关管的误导通以及负向电压击穿，所以驱动电路需要具有良好的抑制串扰能力；④为了使SiC MOSFET导通完全且抑制正向串扰误导通，驱动电路需要设置合适的正向开通电压及负向关断电压。
3、SiC MOSFET的驱动电路设计
所设计的SiC MOSFET的驱动电路主要由信号隔离电路、驱动放大电路以及抑制串扰驱动电路3部分组成，其电路图如图2所示。
3.1信号隔离
驱动电路信号隔离常采用光耦隔离、磁耦隔离、容耦隔离3种方式。表1列出了3种隔离方式所对应的隔离芯片及参数信息。三者隔离电压相比较，容耦隔离芯片隔离电压较低，所采用的SiC MOSFET功率器件漏源极最大承受电压1200V，隔离电压2500V(rms)满足要求；容耦隔离与磁耦隔离芯片的传输延时相对较小，但磁耦隔离芯片共模抑制比较低，抗干扰能力较弱；三者最大脉宽失真相近。综合考虑3款芯片的各项参数及布设电路的复杂难易，最终采用容耦隔离芯片ISO7221C对控制电路与功率变换电路进行信号隔离。
3.2驱动放大电路
SiC MOSFET具有较低的沟道迁移率，为使其通态电阻降低，需要较高的栅源极电压。由功率器件MSC70SM120JCU2输出特性可知，当栅源极电压高于18V时，该器件接近饱和，又因SiC MOSFET阀值电压较低，为了防止正向串扰误导通，需设置合适的负向关断电压。最终选用MGJ2D122005SC隔离门极驱动DC/DC转换器，可提供正向开通电压20V，负向关断电压-5V。
3.3.2新型抑制串扰驱动电路
为降低外并电容抑制串扰驱动电路的开关延时，减小开关损耗。在采用-5V负向关断电压基础上，提出一种抑制串扰驱动电路的新设计，电路如图4所示。该电路由P沟道MOSFET，PNP三极管、肖特基二极管、外部电容、驱动电阻组成。
其中图6为不加抑制串扰驱动电路实验波形，图7为外并电容抑制串扰驱动电路实验波形，图8为新型抑制串扰驱动电路实验波形。由实验结果分析可知，不加抑制串扰驱动电路产生的串扰电压峰值分别为3.9V，-16.4V，容易造成桥臂开关管直通与负向击穿，导致开关管失效。外并电容抑制串扰驱动电路产生的串扰电压峰值分别为-2.5V，-8.2V，抑制串扰效果明显，但是开关延时时间较长，开关速度慢。所设计的抑制串扰驱动电路产生的串扰电压峰值分别为-2.1V，8V，与外并电容驱动电路方式抑制串扰效果相近，但开通与关断延时时间分别降低46%,66%，减小了开关损耗。
5、结论
通过分析SiC MOSFET开关特性及串扰产生原因，得出SiC MOSFET的驱动电路的特殊设计要求，并设计出了带有信号隔离功能、采用-5V负压关断的新型抑制桥臂串扰的SiC MOSFET驱动电路。详述了隔离芯片、驱动放大芯片的选型以及抑制串扰驱动电路的原理。对比3种驱动电路方案的实验结果表明，所设计的SiC MOSFET驱动电路能够有效抑制正负向串扰电压且大大降低了开关延时及损耗，具有较高工程应用价值。
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