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微碧 | 第三代电力电子半导体SiC MOSFET:聚焦高效驱动方案

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相比传统的硅MOSFET,SiC MOSFET可实现在高压下的高频开关。

相比传统的硅MOSFET,SiC MOSFET可实现在高压下的高频开关。新能源、电动汽车、工业自动化等领域,SiC MOSFET(碳化硅-金属氧化物半导体场效应晶体管)凭借高频、高功率、低损耗等卓越性能,SiC MOSFET驱动方案备受关注。然而,SiC MOSFET的独特器件特性,也意味着它们对栅极驱动电路有特殊的要求。


本文将围绕SiC MOSFET的驱动方案展开了解,其中包括驱动过电流、过电压保护以及如何为SiC MOSFET选择合适的驱动芯片等。


SiC MOSFET驱动保护



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1、过电压保护




a) 漏源极过电压保护

SiC MOSFET 在实际场景应用时,漏源极发生过电压,一般情况有以下两种:


第一种是在电动汽车、电力系统等应用场景。


当母线电压较高且不稳定时,电力电子变换装置主电路的电压就会超过了 SiC MOSFET 漏源极的额定电压,从而导致器件击穿损坏。


因此在实际场景应用时,为确保安全,需要考虑预留有一定的裕量。


第二种是发生在SiC MOSFET 关断时,漏极电流变化率 di/dt 会比较高,这种高速变化,会在电路回路寄生电感上产生电压,并与母线电压一起叠加在 SiC MOSFET 漏源极两端,这会导致 SiC MOSFET 漏源极电压产生较大的电压过冲,严重时会超过器件的安全电压,导致 SiC MOSFET 器件损坏。



因此,直流母线电压不稳定,以及漏源极电压过冲是产生漏源极电压过电压的主要因素。


为了保护器,以及变换器安全运行,目前在一些大功率场合,人们常常使用的漏源极过电压保护措施是:


1.针对直流电压不稳定:采取降低额定电压使用方法;

2.针对回路中杂散电感,与电流变化较大引起的过电压:常采用无源缓冲电路或者有源箝位电路进行保护。(图为RC 缓冲电路)

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b)栅源极过电压保护

 SiC MOSFET(碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管)栅源极过电压的主要原因可分为以下两点:


1. 驱动电路性能不稳定,导致输出电压超过了栅源极电压;

2. 当SiC MOSFET应用于桥式电路时,在某一开关管的开关瞬态下,另一开关管的栅源极电压,可能超过栅源极开启电压或负向安全电压。


为确保SiC MOSFET的正常运行,一般需将其栅源极电压控制在-10至25V的范围内。若电压超出这一范围,可能会导致SiC MOSFET遭受永久性损坏。


为避免此类情况,SiC MOSFET的驱动电路应配备栅源极保护措施:比如采用传统栅源极并联电容的方法,以确保栅源极电压保持在允许范围内。


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2、过电流保护



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过电流故障指的是 SiC MOSFET 因为控制信号与负载端异常,器件漏极电流大于额定值,使得器件损坏现象。


根据 SiC MOSFET 的过电流故障时,其电流值对额定电流的倍数。可以将过电流故障分为过载故障与短路故障。


a、过载故障

指 SiC MOSFET 在实际应用场景下,其所在电子装置的输出值大于负载额定值,而发生的故障,此时 SiC MOSFET 电流值约为额定电流的 1.4 倍左右。


当SiC MOSFET 在过载过流故障状况下,电流变化较小,且器件能承受时间相对较长。


b、短路故障


指的是负载发生短路或桥式电路结构中,上下管近乎同时导通时发生的故障,此时 SiC MOSFET 电流值,将会迅速地增大到+其额定电流值 9 倍左右。


在这种情况下,由于快速经过 器件的电流过大,SiC MOSFET承受时间相对较短,因此需要安全可靠且快速检测电流保护方案:


可以采用目前测量电流最简单分流电阻检测方法,在回路中串联一个电阻器,来检测电流,该方案较为简单且可在任意系统中自由选择使用。与此同时,为了最大限度减少对电路的影响,以及降低自身功率耗散,分流电阻阻抗值一般很低。



SiC MOSFET选型



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那么,如何为SiC MOSFET选择合适的驱动芯片?


需要考虑如下几个方面:


1.驱动电平与驱动电流的要求


 SiC MOS器件选择时,应优先考虑具有较大峰值输出电流的驱动芯片。同时,若输出脉冲具备较快的上升和下降速度,则驱动效果更佳。这意味着,驱动芯片的上升和下降时间参数均需较小。


2.满足较短死区时间,保证逆变系统具有更高的输出电压质量;


3.芯片所带的保护功能:短路保护&有源米勒箝位


a、利用SiC MOSFET的短路耐受保护功能,提高系统可靠性;

b、使用带有 有源米勒箝位功能的驱动芯片,使其在关断期间不因米勒效应发生误触发;


4.芯片抗干扰性(CMTI),处于高频应用环境下,这要求芯片本身具有较高的抗干扰度。


当然,选择性能较优的SiC MOSFET也是高频驱动应用中的重要因素。微碧VBsemi新推出的SiC MOSFET产品,就具备非常低的开关损耗和传导损耗, 低损耗特性得以实现,得益于相对平稳的RDS(通态电阻)与温度之间的依赖关系。特别是,抑制寄生电容引发的门极误开通,增强了器件的稳健性,不仅对降低开关损耗有益,同时也提高了产品的易用性。


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