SiC Mosfet管特性及其专用驱动电源

　　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；

　　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

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。

　　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。 模拟电子威廉希尔官方网站 基础［M］。北京：高等教育出版社，1999