新型SiC功率器件在Boost電路中的應(yīng)用分析

 摘要：分析新型SiC功率器件在實(shí)際應(yīng)用中的基本特性，以升壓斬波電路為載體，通過理論分析對(duì)SiC MOSFET柵極電阻對(duì)開關(guān)特性的影響，以及開關(guān)頻率與傳輸效率的關(guān)系進(jìn)行了闡述。同時(shí)，以SiC MOSFET功率器件為核心搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證，并與同類型Si器件相互比較，得出了關(guān)于SiC功率器件在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方面的優(yōu)點(diǎn)和一些值得注意的問題。

1 引言

風(fēng)能、太陽能等新能源均需經(jīng)過電力電子變換才能接入電網(wǎng)，隨著新能源發(fā)電量的逐年攀升，市場(chǎng)對(duì)電力電子變換器的要求朝著大功率、高頻率、低損耗的方向快步前進(jìn)。作為傳統(tǒng)電力電子變換的開關(guān)器件，Si IGBT已難以滿足需求，而新型半導(dǎo)體器件SiC MOSFET具有更好的性能，被普遍認(rèn)為是新一代的功率器件。

對(duì)于電力電子變換器而言，SiC MOSFET可作為開關(guān)器件使用。而在電力電子變換器中，升降壓斬波電路是最基本的電路結(jié)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)可擴(kuò)展出各類電力電子變換器。因此，這里以升壓變換電路為載體，對(duì)SiC MOSFET在實(shí)際應(yīng)用中所面臨的兩大主要問題(即柵極電阻對(duì)開關(guān)性能的影響及頻率對(duì)功率傳輸效率的影響)，進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以此得出應(yīng)用SiC MOSFET進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的一些注意事項(xiàng)。

2 Boost電路的基本原理

Boost變換電路通過對(duì)輸入直流電壓進(jìn)行斬波，從而達(dá)到升壓變換的目的，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，U1，U2為電源電壓和輸出電壓。

通過控制開關(guān)管V的開關(guān)狀態(tài)，可控制V2。

V由控制信號(hào)us控制，當(dāng)us為高電平時(shí)，V導(dǎo)通，電感電壓uL=U1>0，電感儲(chǔ)能增加。當(dāng)us為低電平時(shí)，V關(guān)斷，uL<0，電感存儲(chǔ)電能傳輸至負(fù)載側(cè);已知uL在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)積分為零，則U1ton+(U1-U2)toff=0，ton，toff為開通、關(guān)斷時(shí)間。可得：U2/U1=1/(1-D)，D為占空比，0≤D<1。由上述可知，U2>U1。假定電路無損耗，則輸入功率P1等于輸出功率P2，即P1=P2，由此可得平均輸出電流關(guān)系為：

I2/I1=1-D (1)

3 柵極電阻對(duì)SiC MOSFET開關(guān)特性的影響

對(duì)于SiC MOSFET而言，為將控制器信號(hào)發(fā)送至柵極以控制其開關(guān)狀態(tài)，在設(shè)計(jì)時(shí)往往附加一驅(qū)動(dòng)電路以實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換和功率擴(kuò)大。然而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)電路不可能與開關(guān)管柵極直線相連，線路電感的存在不可避免。由于SiC MOSFET自身任意兩極之間存在電容特性，在驅(qū)動(dòng)電壓作用下，線路電感必然與之發(fā)生激烈振蕩，為消弱振蕩阻尼至可接受范圍內(nèi)，通常采用的手段是在柵極串聯(lián)電阻，從這一層面上看，柵極電阻越大越好。然而，由于柵極電阻的加入，驅(qū)動(dòng)電源的電壓特性遭到了破壞，降低了開關(guān)信號(hào)前后沿陡度，控制信號(hào)波形前后沿會(huì)出現(xiàn)明顯的上升和下降指數(shù)。柵極驅(qū)動(dòng)電路示意圖如圖2a所示，控制電壓波形如圖2b所示。其中，ug為控制器所發(fā)出的電壓信號(hào)，L為線路電感，Rg為串聯(lián)的柵極電阻，C為MOSFET柵極等效電容，us為柵極所接收的電壓信號(hào)。

由此可知，Rg越大，τ越小，電流衰減越快;Rg越小，T越小。由于T決定電流第一次到達(dá)零值所需時(shí)間，故T越小，關(guān)斷時(shí)間越短，下降沿陡度越大。

4 開關(guān)頻率對(duì)SiC MOSFET傳輸效率的影響

理想的開關(guān)器件其導(dǎo)通壓降為零，但即使SiCMOSFET也無法達(dá)到導(dǎo)通壓降為零，此外由于存在開關(guān)損耗，使功率傳輸過程中必然存在一定損耗。

以Boost電路連續(xù)工作狀態(tài)為例，分別對(duì)開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗粗略估算。U1和U2波形如圖3所示。其中，δ1，δ2分別為開關(guān)管的開通和關(guān)斷時(shí)間。

5 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)電路基本參數(shù)：負(fù)載電阻40 Ω，串聯(lián)電感10 mH，直流電容450μF，電壓比310 V/400 V，輸入功率2 630 W，占空比0.23。系統(tǒng)電路主要由功率模塊、信號(hào)模塊及控制模塊3部分構(gòu)成。

功率模塊為主電路部分，使用兩個(gè)SiC器件，其中一個(gè)作為開關(guān)管，另一個(gè)設(shè)定為關(guān)斷狀態(tài)，利用器件自身所攜帶二極管作為反向二極管，所使用的SiC器件具有高開關(guān)頻率和低導(dǎo)通阻抗的優(yōu)點(diǎn)。

信號(hào)模塊主要功能是將功率模塊測(cè)量得到的電壓、電流及頻率傳送到控制模塊，以此對(duì)開關(guān)管進(jìn)行控制。控制模塊可分為控制電路和觸摸屏兩部分，觸摸屏主要功能在于顯示測(cè)量所得數(shù)據(jù)以下達(dá)控制指令;控制電路核心部分是DSP(F2812)和FPGA(XC38500E)芯片，主要功能是接受觸摸屏發(fā)出的指令，并以此向功率模塊開關(guān)管發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。利用實(shí)驗(yàn)電路，針對(duì)不同Rg和不同f做了兩部分實(shí)驗(yàn)，分別驗(yàn)證上述理論的正確性。

(1)不同柵極電阻情況下SiC MOSFET開通、關(guān)斷電流暫態(tài)過程

設(shè)f=20 kHz，分別選取Rg為6 Ω和10 Ω時(shí)分析開關(guān)管上升沿和下降沿暫態(tài)過程，圖4為實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，δ1(Rg=10 Ω)>δ1(Rg=6 Ω)δ2(Rg=10 Ω)>δ2(Rg=6 Ω)。與Rg=10 Ω相比，Rg=6 Ω開關(guān)速度更快。這驗(yàn)證了Rg越小，上升和下降暫態(tài)過程越短。對(duì)于傳統(tǒng)Si IGBT而言，其開通和關(guān)斷時(shí)間約400 ns，而從SiC電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，Rs=6 Ω時(shí)，δ1≈80 ns，δ2≈50 ns，減少了80%以上，這意味著SiC器件在開關(guān)頻率方面開發(fā)前景更廣闊。

(2)不同開關(guān)頻率情況下功率傳輸效率

實(shí)驗(yàn)通過控制SiC MOSFET f逐步從零增加至100 kHz，測(cè)量不同f下η值，其結(jié)果如圖5所示。

可見，在0～100 kHz區(qū)間內(nèi)，SiC器件傳輸效率始終大于98.4%，這完全能夠滿足應(yīng)用需求。隨著f逐步增加，η逐步降低;Rg越大，η也越低，此結(jié)果符合f對(duì)η影響的理論分析。

6 結(jié)論

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)比可見，SiC器件在電力電子設(shè)備應(yīng)用上與Si器件相比有較大優(yōu)勢(shì)，但同樣存在限制自身潛力開發(fā)的因素。在SiC系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，柵極電阻的選擇需充分考慮到限制暫態(tài)電流和開關(guān)時(shí)間限制這兩個(gè)要求，同時(shí)為保證SiC器件傳輸效率，開關(guān)頻率的選擇也需慎重。