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SiC Mosfet管特性及其专用驱动电源

2015年06月12日 09:51 次阅读

  一、 引言

  以Si为衬底的Mosfet管因为其输入阻抗高,驱动功率小,驱动电路简单,具有靠多数载流子工作导电特性,没有少数载流子导电工作所需要的存储时间,因而开关速度快,工作频率可到500kHz,甚至MHz以上。但是随着其反向耐压的提高,通态电阻也急剧上升,从而限制了其在高压场合的应用。IGBT具有高反向耐压和大电流特性,但是对驱动电路要求很严格,并且不适合工作在高频场合,一般IGBT的工作频率为20kHz以下。

  SiC作为一种宽禁代半导体器件,具有饱和电子漂移速度高、电场击穿强度高、介电常数低和热导率高等特性。以SiC为衬底的Mosfet管具有阻断电压高、工作频率高且耐高温能力强,同时又具有通态电阻低和开关损耗小等特点,是高频高压场合功率密度提高和效率提高的应用趋势。

  二、 SiC Mosfet与Si IGBT性能对比

  目前市面上常见的SiC Mosfet电流均不大于50A,以常见的1200V/20A为例,列举了Cree公司与Rohm公司的SiC Mosfet管的部分电气参数;同样例举了Fairchild 与APT公司的1200V/20A Si IGBT系列的电气参数进行比较;

  SiC Mosfet管特性及其专用驱动电源

  表1.SiC Mosfet与Si Mosfet的主要参数对比

  通过表格性能对比,可以看出,SiC Mosfet有三个方面的性能是明显优于Si IGBT:

  1.极其低的导通电阻RDS(ON),导致了极其优越的正向压降和导通损耗,更能适应高温环境下工作;

  2.SiC Mosfet管具有Si Mosfet管的输入特性,即相当低的栅极电荷,导致性能卓越的切换速率;

  3. 宽禁带宽度材料,具有相当低的漏电流,更能适应高电压的环境应用;

  三、 驱动电路要求

  Sic Mosfet具有与Si Mosfet管非常类似的开关特性,通过对Si Mosfet的特性研究,其驱动电路具有相同的特性:

  1. 对于驱动电路来讲,最重要的参数是门极电荷,Mosfet管的栅极输入端相当于是一个容性网络,因此器件在稳定导通时间或者关断的截止时间并不需要驱动电流,但是在器件开关过程中,栅极的输入电容需要充电和放电,此时栅极驱动电路必须提供足够大的充放电脉冲电流。如果器件工作频率越快,栅极电容的充放电时间要求越短,则要求输入的栅极电容越小,驱动的脉冲电流越大才能满足驱动要求;

  2.栅极驱动电路必须合理选择一定的驱动电压,栅极的驱动电压越高,则Mosfet的感应导电沟道越大,则导通电阻越小;但是栅极驱动电压太大的话,很容易将栅极和漏极之间绝缘层击穿,造成Mosfet管的永久失效;

  3.为了增加开关管的速度,减少开关管的关断时间是有必要的;且为了提高Mosfet管在关断状态下的工作可靠性,将驱动电路设计成在关断状态的时候,在栅极加上反向偏置电压,以快速释放栅极输入电容的电荷,减少了关断时间,使得驱动电路更可靠地关断Mosfet;但是反向的驱动电压会增加电路损耗,反向偏置电压最好不要超过-6V;

  4.当驱动对象是全桥或者半桥电路的功率Mosfet,或者是为了提高控制电路的抗干扰能力,此时将驱动电路设计成隔离驱动电路;实现电隔离的方式可以通过磁耦合变压器和光耦合器件;但是不管采用磁耦合变压器还是光耦合器件,都要保证耦合器件的延迟时间与耦合分布电容;采用的隔离电源也必须具有高隔离、快速响应时间与低耦合电容的特性。

  四、 隔离电源特性需求

  从驱动电路的特性来看,要求驱动电源具有以下特性:

  1.为了适应高频率的使用要求,要求驱动电源具有瞬时的驱动大功率特性,即要求具有大的容性负载能力;

  2.为了适应高电压应用使用要求,要求驱动电源具有高耐压能力并且具有超低的隔离电容,来减少高压总线部分对低压控制侧的干扰;

  3.隔离驱动电源必须具有合适的驱动电压,即要求电源具有正负输出电压,并且正负输出电压不是对称输出特性;

  


      金升阳针对SiC隔离驱动电路的特点,推出了SiC Mosfet驱动专用电源QA01C。该电源电气性能参数全部达到SiC Mosfet驱动电路的要求,如:

  ?不对称驱动电压,输出电压 +20/-4VDC 输出电流+100/-100mA

  ?大容性负载能力,容性负载为220uF

  ?高隔离电压,达到3500VAC

  ?极低的隔离电容,低至3.5pF

  此驱动电源还满足了其他性能参数特点,具体功能如下:

  ? 效率高达83%

  ? 工作温度范围: -40℃ ~ +105℃ 

  ? 可持续短路保护

实物图
图1.QA01C实物图

  QA01C具有完整的驱动电路推荐,通过SiC驱动专用电源得到不对称的正向驱动电压20V,负向偏置关断电压-4V;为了防止驱动电压对栅极造成损坏,增加D2和D3来吸收尖峰电压是很有必要的。SiC驱动器采用一般驱动芯片即可;为了实现控制信号与主功率回路的隔离,需要采取隔离措施,推荐采用常见的光耦隔离方案。采用的光耦必须具有高共模抑制比(30KV/us)和比隔离电源大的隔离耐压并且具有极小的延迟时间来适应SiC Mosfet管的高频率工作特性。

SIC驱动电路图推荐

  图2.SiC驱动电路推荐

  五、 总结

  通过对SiC Mosfet管与Si IGBT管相关电气参数进行比较,我们发现SiC Mosfet将成为高压高频场合下的应用趋势。根据对SiC Mosfet管的开关特性的研究,金升阳推荐了能简化其隔离设计的专用电源QA01C,同时也推荐了基于SiC Mosfet的驱动电路。

  参考文献:

  【1】 钱照明等。 中国电气工程大典[M]。 北京:中国电力出版社,2009.6

  【2】 Keith Billings著。 张占松等译。 开关电源手册[M]。北京:人民邮电出版社,2006.12

  【3】 童诗白 华成英著。 模拟电子技术基础[M]。北京:高等教育出版社,1999

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