SiC Mosfet管特性及其專用驅(qū)動(dòng)電源

摘要：本文簡要比較了下SiC Mosfet管和Si IGBT管的部分電氣性能參數(shù)并分析了這些電氣參數(shù)對(duì)電路設(shè)計(jì)的影響，并且根據(jù)SiC Mosfet管開關(guān)特性和高壓高頻的應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)，推薦了金升陽可簡化設(shè)計(jì)隔離驅(qū)動(dòng)電路的SIC驅(qū)動(dòng)電源模塊。

關(guān)鍵詞：SiC Mosfet管;隔離驅(qū)動(dòng)電路;驅(qū)動(dòng)電源模塊;QA01C

一、引言

以Si為襯底的Mosfet管因?yàn)槠漭斎胱杩垢?，?qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單，具有靠多數(shù)載流子工作導(dǎo)電特性，沒有少數(shù)載流子導(dǎo)電工作所需要的存儲(chǔ)時(shí)間，因而開關(guān)速度快，工作頻率可到500kHz，甚至MHz以上。但是隨著其反向耐壓的提高，通態(tài)電阻也急劇上升，從而限制了其在高壓場(chǎng)合的應(yīng)用。IGBT具有高反向耐壓和大電流特性，但是對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求很嚴(yán)格，并且不適合工作在高頻場(chǎng)合，一般IGBT的工作頻率為20kHz以下。

SiC作為一種寬禁代半導(dǎo)體器件，具有飽和電子漂移速度高、電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度高、介電常數(shù)低和熱導(dǎo)率高等特性。以SiC為襯底的Mosfet管具有阻斷電壓高、工作頻率高且耐高溫能力強(qiáng)，同時(shí)又具有通態(tài)電阻低和開關(guān)損耗小等特點(diǎn)，是高頻高壓場(chǎng)合功率密度提高和效率提高的應(yīng)用趨勢(shì)。

二、SiC Mosfet與Si IGBT性能對(duì)比

目前市面上常見的SiC Mosfet電流均不大于50A，以常見的1200V/20A為例，列舉了Cree公司與Rohm公司的SiC Mosfet管的部分電氣參數(shù);同樣例舉了Fairchild 與APT公司的1200V/20A Si IGBT系列的電氣參數(shù)進(jìn)行比較;

通過表格性能對(duì)比，可以看出，SiC Mosfet有三個(gè)方面的性能是明顯優(yōu)于Si IGBT：

1.極其低的導(dǎo)通電阻RDS(ON)，導(dǎo)致了極其優(yōu)越的正向壓降和導(dǎo)通損耗，更能適應(yīng)高溫環(huán)境下工作;

2.SiC Mosfet管具有Si Mosfet管的輸入特性，即相當(dāng)?shù)偷臇艠O電荷，導(dǎo)致性能卓越的切換速率;

3. 寬禁帶寬度材料，具有相當(dāng)?shù)偷穆╇娏?，更能適應(yīng)高電壓的環(huán)境應(yīng)用;

三、驅(qū)動(dòng)電路要求

Sic Mosfet具有與Si Mosfet管非常類似的開關(guān)特性，通過對(duì)Si Mosfet的特性研究，其驅(qū)動(dòng)電路具有相同的特性：

1. 對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路來講，最重要的參數(shù)是門極電荷，Mosfet管的柵極輸入端相當(dāng)于是一個(gè)容性網(wǎng)絡(luò)，因此器件在穩(wěn)定導(dǎo)通時(shí)間或者關(guān)斷的截止時(shí)間并不需要驅(qū)動(dòng)電流，但是在器件開關(guān)過程中，柵極的輸入電容需要充電和放電，此時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電路必須提供足夠大的充放電脈沖電流。如果器件工作頻率越快，柵極電容的充放電時(shí)間要求越短，則要求輸入的柵極電容越小，驅(qū)動(dòng)的脈沖電流越大才能滿足驅(qū)動(dòng)要求;

2.柵極驅(qū)動(dòng)電路必須合理選擇一定的驅(qū)動(dòng)電壓，柵極的驅(qū)動(dòng)電壓越高，則Mosfet的感應(yīng)導(dǎo)電溝道越大，則導(dǎo)通電阻越小;但是柵極驅(qū)動(dòng)電壓太大的話，很容易將柵極和漏極之間絕緣層擊穿，造成Mosfet管的永久失效;

3.為了增加開關(guān)管的速度，減少開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間是有必要的;且為了提高M(jìn)osfet管在關(guān)斷狀態(tài)下的工作可靠性，將驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)成在關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)候，在柵極加上反向偏置電壓，以快速釋放柵極輸入電容的電荷，減少了關(guān)斷時(shí)間，使得驅(qū)動(dòng)電路更可靠地關(guān)斷Mosfet;但是反向的驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)增加電路損耗，反向偏置電壓最好不要超過-6V;

4.當(dāng)驅(qū)動(dòng)對(duì)象是全橋或者半橋電路的功率Mosfet，或者是為了提高控制電路的抗干擾能力，此時(shí)將驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)成隔離驅(qū)動(dòng)電路;實(shí)現(xiàn)電隔離的方式可以通過磁耦合變壓器和光耦合器件;但是不管采用磁耦合變壓器還是光耦合器件，都要保證耦合器件的延遲時(shí)間與耦合分布電容;采用的隔離電源也必須具有高隔離、快速響應(yīng)時(shí)間與低耦合電容的特性。

四、隔離電源特性需求

從驅(qū)動(dòng)電路的特性來看，要求驅(qū)動(dòng)電源具有以下特性：

1.為了適應(yīng)高頻率的使用要求，要求驅(qū)動(dòng)電源具有瞬時(shí)的驅(qū)動(dòng)大功率特性，即要求具有大的容性負(fù)載能力;

2.為了適應(yīng)高電壓應(yīng)用使用要求，要求驅(qū)動(dòng)電源具有高耐壓能力并且具有超低的隔離電容，來減少高壓總線部分對(duì)低壓控制側(cè)的干擾;

3.隔離驅(qū)動(dòng)電源必須具有合適的驅(qū)動(dòng)電壓，即要求電源具有正負(fù)輸出電壓，并且正負(fù)輸出電壓不是對(duì)稱輸出特性;

金升陽針對(duì)SiC隔離驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)，推出了SiC Mosfet驅(qū)動(dòng)專用電源QA01C。該電源電氣性能參數(shù)全部達(dá)到SiC Mosfet驅(qū)動(dòng)電路的要求，如：

● 不對(duì)稱驅(qū)動(dòng)電壓，輸出電壓 +20/-4VDC 輸出電流+100/-100mA

● 大容性負(fù)載能力，容性負(fù)載為220uF

● 高隔離電壓，達(dá)到3500VAC

● 極低的隔離電容，低至3.5pF

此驅(qū)動(dòng)電源還滿足了其他性能參數(shù)特點(diǎn)，具體功能如下：

● 效率高達(dá)83%

● 工作溫度范圍: -40℃ ~ +105℃

● 可持續(xù)短路保護(hù)

QA01C具有完整的驅(qū)動(dòng)電路推薦，通過SiC驅(qū)動(dòng)專用電源得到不對(duì)稱的正向驅(qū)動(dòng)電壓20V，負(fù)向偏置關(guān)斷電壓-4V;為了防止驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)柵極造成損壞，增加D2和 D3來吸收尖峰電壓是很有必要的。SiC驅(qū)動(dòng)器采用一般驅(qū)動(dòng)芯片即可;為了實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與主功率回路的隔離，需要采取隔離措施，推薦采用常見的光耦隔離方案。采用的光耦必須具有高共模抑制比(30KV/us)和比隔離電源大的隔離耐壓并且具有極小的延遲時(shí)間來適應(yīng)SiC Mosfet管的高頻率工作特性。

五、總結(jié)

通過對(duì)SiC Mosfet管與Si IGBT管相關(guān)電氣參數(shù)進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)SiC Mosfet將成為高壓高頻場(chǎng)合下的應(yīng)用趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)SiC Mosfet管的開關(guān)特性的研究，金升陽推薦了能簡化其隔離設(shè)計(jì)的專用電源QA01C，同時(shí)也推薦了基于SiC Mosfet的驅(qū)動(dòng)電路。

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