碳化硅 MOSFET 因其材料的特殊性，適合高壓、高頻和高功率密度場合。該文設(shè)計(jì)一種碳化硅 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電路，通過軟件 PSpice 對碳化硅 MOSFET 以及碳化硅肖特基二極管的開關(guān)特性進(jìn)行仿真研究，并設(shè)計(jì) RC 緩沖電路解決開關(guān)的尖峰震蕩問題。搭建硬件實(shí)驗(yàn)電路，在 Buck電路中針對碳化硅 MOSFET 和 Si IGBT 在不同負(fù)載和占空比下進(jìn)行電路效率分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明碳化硅MOSFET 開關(guān)速度快、開關(guān)損耗小以及驅(qū)動(dòng)電阻小。碳化硅肖特基二極管無反向恢復(fù)特性，適合高頻下工作。RC 緩沖電路能有效抑制開關(guān)產(chǎn)生的尖峰和震蕩，在 Buck 電路中化硅 MOSFET 比 SiIGBT在不同負(fù)載和占空比下效率要高。
碳化硅 SiC（Silicon Carbide）MOSFET 作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，工作結(jié)溫高達(dá)600 ℃，工作頻率高達(dá)兆赫茲級，最高反向擊穿電壓為200 kV 。因其具有擊穿電場高、載流子飽和漂移速度快、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、能提高電力變換器的性能等優(yōu)良特性，已成為高溫、高壓、高頻、大功率場合的理想器件 ，因此國內(nèi)外研究學(xué)者對其特性及應(yīng)用展開研究。文獻(xiàn)[4]研究了 SiC MOSFET 的開關(guān)特性以及在Buck 電路中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]分析了驅(qū)動(dòng)電阻對 SiC開關(guān)器件開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗的影響。欲加入三代半交流群,加VX：tuoke08。文獻(xiàn)[6]對比SiC MOSFET 與 Si IGBT 的特性。該文研究設(shè)計(jì)了SiC MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電路，
通過 PSpice 軟件仿真分析SiC MOSFET 的開關(guān)特性，以及 SiC 肖特基二極管的特性，利用 RC 緩沖電路吸收開關(guān)過程中電流和電壓產(chǎn) 生 的 尖 峰 震 蕩 。通 過 搭 建 硬 件 實(shí) 驗(yàn) 電 路 研 究Buck電路的效率。
1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
SiC MOSFET 選 取 ROHM 公 司 的 SCT2080KE，該器件的參數(shù)：額定電壓 VDS=1.2 kV，額定電流 ID=40 A，通態(tài)等效電阻 RDS（on）=80 mΩ，最高結(jié)溫 175 ℃，柵源極電壓-6~22 V，開啟電壓 2.8 V，電壓高達(dá) 18~20 V 時(shí)開關(guān)才能完全導(dǎo)通。為了防止柵極振蕩增強(qiáng)抗擾能力，使開關(guān)快速關(guān)斷，柵極必須提供-2~6 V 關(guān)斷電壓，因此選擇+18 V 和-4 V 的驅(qū)動(dòng)電壓。圖 1為驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖，通過光耦 6N137 實(shí)現(xiàn)電氣隔離，IXDD609SI 對 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào) 進(jìn) 行 功 率 放 大 ，控 制 SiCMOSFET開通和關(guān)斷。
為了給芯片供電，設(shè)計(jì)如圖2所示的輔助電源，市電經(jīng)過變壓器 BK100VA 轉(zhuǎn)換成 24 V 和 6.3 V 的交流電，24 V經(jīng)過二極管半波整流，通過 7818和濾波電容得到+18 V直流電。6.3 V二極管半波整流，通過7905得到-5 V直流電，利用LM337調(diào)整為-4 V的直流電。
光耦 6N137 的外圍電路如圖 3 所示，引腳 2 輸入控制信號(hào)，R3與 R4分別為輸入和輸出信號(hào)的限流電阻，控制信號(hào)從引腳 6輸出。驅(qū)動(dòng)芯片 IXDD609SI的外圍電路如圖 4 所示，引腳 1 和 8 VCC接 18 V 電源，驅(qū)動(dòng)信號(hào) PWM1 通過限流電阻 R5從引腳 2 輸入，引腳 4和 5 接 地 ，引 腳 6 和 7 通 過 驅(qū) 動(dòng) 電 阻 Rg 輸 出 SiCMOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)的 PWM 波。
2 SiC MOSFET開關(guān)特性
利用雙脈沖電路測試SiC MOSFET開關(guān)特性 ，續(xù) 流 二 極 管 選 取 SiC 肖 特 基 二 極 管 SCS210KE2，電 感取 0.5 mH，Rg為驅(qū)動(dòng)電阻。雙脈沖驅(qū)動(dòng)波形如圖 5（a）所示，T1區(qū)間開關(guān)導(dǎo)通 9 μs，漏極電流線性上升。T2區(qū)間通過碳化硅肖特基二極管續(xù)流 2 μs。T3區(qū)間開關(guān)再次導(dǎo)通 1 μs。漏極電流的仿真結(jié)果如圖 5（b）所示。
門極驅(qū)動(dòng)電阻 Rg的大小影響開關(guān)速度及開關(guān)損耗，因此門極驅(qū)動(dòng)電阻的選取非常重要 。表1和表2分別為不同的驅(qū)動(dòng)電阻仿真得到的 SiC MOSFET 的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。從結(jié)果可知驅(qū)動(dòng)電阻越大，開關(guān)時(shí)間越長，開關(guān)損耗越大。因此 5 Ω的門極驅(qū)動(dòng)電阻，既保證了開關(guān)速度又保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖 6為電阻為 5 Ω時(shí) SCT2080KE的開關(guān)特性。
3 SiC肖特基二極管特性
硅二極管一般應(yīng)用于小于 250 V 的場合，有反向恢復(fù)時(shí)間。而 SiC 肖特基二極管耐壓高達(dá) 1.2 kV，不僅開關(guān)頻率高，而且沒有反向恢復(fù)特性，能降低開關(guān)損耗 。圖 7（a）為二極管電流波形，圖 7（b）為反向截止時(shí)電流局部放大圖，從圖中可以看出反向恢復(fù)電流小于 0.8 A。
4 RC緩沖電路
SiC MOSFET 在高頻下工作，開關(guān)過程中電流電壓震蕩嚴(yán)重，為了解決這一問題，在 SiC MOSFET的漏源極兩端并聯(lián) RC 緩沖電路。C 取 0.375 nF，R取 8 Ω/5 W。圖 8（a）為添加了 RC 緩沖電路的 Buck電路圖，圖 8（b）為未添加 RC 緩沖電路 SiC MOSFET漏極電流波形，可以看出波形震蕩嚴(yán)重。圖 8（c）為添加了 RC 緩沖電路 SiC MOSFET 漏極電流波形，電流的峰值從 9 A 左右減少到了 6 A 左右，RC 緩沖電路吸收了部分電流諧波，使得系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
5.1 Buck電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)PSpice的仿真結(jié)果搭建了實(shí)驗(yàn)電路，在Buck電路中,驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)由單片機(jī)STM32F407ZG產(chǎn)生幅值為 3.3 V，占空比為 0.5 的 PWM 波，輸入電壓 100 V，電感取 4 mH，電容取 200 V/30 uF，負(fù)載為100 Ω，頻 率 100 kHz。用 Tek 示 波 器 顯 示 實(shí) 驗(yàn) 結(jié)果。圖 9（a）為未添加 RC 緩沖電路的驅(qū)動(dòng)電壓波形，可以看出尖峰震蕩較大。圖 9（b）為添加了 RC 緩沖電路的驅(qū)動(dòng)波形，有效地抑制了尖峰震蕩。圖 9（c）為開關(guān)開通時(shí)局部放大圖，圖 9（d）為開關(guān)關(guān)斷時(shí)局部放大圖，從圖中可知開關(guān)都在 350 ns內(nèi)波形穩(wěn)定。
5.2 電路的效率
電路的效率為輸出功率與輸入功率的比值 。表 3為不同占空比 SiC MOSFET 和 Si IGBT 在 Buck 電路中的效率。從結(jié)果可知占空比在 0.5 左右時(shí)效率最高，占空比越大或者越小效率降低，SiC MOSFET比 Si IGBT在電路中的效率較高。
當(dāng)頻率為 100 kHz時(shí)，占空比為 0.5，負(fù)載分別取10 Ω、20 Ω、50 Ω、100 Ω、200 Ω、500 Ω時(shí)電路的效率如表 4所示，負(fù)載越小，效率越高，滿載時(shí)效率最高。
6 結(jié) 論
該文針對 SCT2080KE 設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路，利用雙脈沖電路分析了 SiC MOSFET 的開關(guān)特性，以及 SiC肖特基二極管的反向恢復(fù)特性。通過設(shè)計(jì)RC緩沖電路，減少 SiC MOSFET 在開關(guān)過程中的大量諧波。最后搭建了實(shí)驗(yàn)電路，在 Buck電路中對比 SiC MOSFET和 Si IGBT 在不同占空比和不同負(fù)載條件下電路的效率。結(jié)果表明 SiC開關(guān)特性好，在實(shí)際應(yīng)用中效率高，為工程實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。
（來源：半導(dǎo)體工藝與設(shè)備）
