摘要
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。該文設計一種碳化硅?MOSFET?的驅動電路，通過軟件?PSpice?對碳化硅?MOSFET?以及碳化硅肖特基二極管的開關特性進行仿真研究，并設計?RC?緩沖電路解決開關的尖峰震蕩問題。搭建硬件實驗電路，在?Buck電路中針對碳化硅?MOSFET?和?Si IGBT?在不同負載和占空比下進行電路效率分析。實驗結果表明碳化硅MOSFET?開關速度快、開關損耗小以及驅動電阻小。碳化硅肖特基二極管無反向恢復特性，適合高頻下工作。RC?緩沖電路能有效抑制開關產生的尖峰和震蕩，在?Buck?電路中化硅?MOSFET?比?SiIGBT在不同負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體材料的代表，工作結溫高達600 ℃，工作頻率高達兆赫茲級，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、熱穩定性好、熱導率高、能提高電力變換器的性能等優良特性，已成為高溫、高壓、高頻、大功率場合的理想器件?，因此國內外研究學者對其特性及應用展開研究。文獻[4]研究了 SiC MOSFET 的開關特性以及在Buck 電路中的應用。文獻[5]分析了驅動電阻對 SiC開關器件開關時間和開關損耗的影響。欲加入三代半交流群,加VX：tuoke08。文獻[6]對比SiC MOSFET 與 Si IGBT 的特性。該文研究設計了SiC MOSFET 的驅動電路，
通過 PSpice 軟件仿真分析SiC MOSFET 的開關特性，以及 SiC 肖特基二極管的特性，利用 RC 緩沖電路吸收開關過程中電流和電壓產 生 的 尖 峰 震 蕩 。通 過 搭 建 硬 件 實 驗 電 路 研 究Buck電路的效率。
1 驅動電路的設計
SiC MOSFET 選 取 ROHM 公 司 的 SCT2080KE，該器件的參數：額定電壓 VDS=1.2 kV，額定電流 ID=40 A，通態等效電阻 RDS（on）=80 mΩ，最高結溫 175 ℃，柵源極電壓-6~22 V，開啟電壓 2.8 V，電壓高達 18~20 V 時開關才能完全導通。為了防止柵極振蕩增強抗擾能力，使開關快速關斷，柵極必須提供-2~6 V 關斷電壓，因此選擇+18 V 和-4 V 的驅動電壓。圖 1為驅動電路設計圖，通過光耦 6N137 實現電氣隔離，IXDD609SI 對 驅 動 信 號 進 行 功 率 放 大 ，控 制 SiCMOSFET開通和關斷。
為了給芯片供電，設計如圖2所示的輔助電源，市電經過變壓器 BK100VA 轉換成 24 V 和 6.3 V 的交流電，24 V經過二極管半波整流，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，R3與 R4分別為輸入和輸出信號的限流電阻，控制信號從引腳 6輸出。驅動芯片 IXDD609SI的外圍電路如圖 4 所示，引腳 1 和 8 VCC接 18 V 電源，驅動信號 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 動 電 阻 Rg 輸 出 SiCMOSFET 柵極驅動的 PWM 波。
2 SiC MOSFET開關特性
利用雙脈沖電路測試SiC MOSFET開關特性 ，續 流 二 極 管 選 取 SiC 肖 特 基 二 極 管 SCS210KE2，電 感取 0.5 mH，Rg為驅動電阻。雙脈沖驅動波形如圖 5（a）所示，T1區間開關導通 9 μs，漏極電流線性上升。T2區間通過碳化硅肖特基二極管續流 2 μs。T3區間開關再次導通 1 μs。漏極電流的仿真結果如圖 5（b）所示。
門極驅動電阻 Rg的大小影響開關速度及開關損耗，因此門極驅動電阻的選取非常重要?。表1和表2分別為不同的驅動電阻仿真得到的 SiC MOSFET 的導通和關斷時間。從結果可知驅動電阻越大，開關時間越長，開關損耗越大。因此 5 Ω的門極驅動電阻，既保證了開關速度又保證了系統的穩定性。圖 6為電阻為 5 Ω時 SCT2080KE的開關特性。
3 SiC肖特基二極管特性
硅二極管一般應用于小于 250 V 的場合，有反向恢復時間。而 SiC 肖特基二極管耐壓高達 1.2 kV，不僅開關頻率高，而且沒有反向恢復特性，能降低開關損耗?。圖 7（a）為二極管電流波形，圖 7（b）為反向截止時電流局部放大圖，從圖中可以看出反向恢復電流小于 0.8 A。
4 RC緩沖電路
SiC MOSFET 在高頻下工作，開關過程中電流電壓震蕩嚴重，為了解決這一問題，在 SiC MOSFET的漏源極兩端并聯 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，使得系統的運行更加穩定可靠。
5 實驗結果
5.1 Buck電路實驗結果
根據PSpice的仿真結果搭建了實驗電路，在Buck電路中,驅動電路的控制信號由單片機STM32F407ZG產生幅值為 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，負載為100 Ω，頻 率 100 kHz。用 Tek 示 波 器 顯 示 實 驗 結果。圖 9（a）為未添加 RC 緩沖電路的驅動電壓波形，可以看出尖峰震蕩較大。圖 9（b）為添加了 RC 緩沖電路的驅動波形，有效地抑制了尖峰震蕩。圖 9（c）為開關開通時局部放大圖，圖 9（d）為開關關斷時局部放大圖，從圖中可知開關都在 350 ns內波形穩定。
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。從結果可知占空比在 0.5 左右時效率最高，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。
當頻率為 100 kHz時，占空比為 0.5，負載分別取10 Ω、20 Ω、50 Ω、100 Ω、200 Ω、500 Ω時電路的效率如表 4所示，負載越小，效率越高，滿載時效率最高。
6 結 論
該文針對 SCT2080KE 設計了驅動電路，利用雙脈沖電路分析了 SiC MOSFET 的開關特性，以及 SiC肖特基二極管的反向恢復特性。通過設計RC緩沖電路，減少 SiC MOSFET 在開關過程中的大量諧波。最后搭建了實驗電路，在 Buck電路中對比 SiC MOSFET和 Si IGBT 在不同占空比和不同負載條件下電路的效率。結果表明 SiC開關特性好，在實際應用中效率高，為工程實踐奠定了基礎。
