
目前,在工業電源和汽車電子系統等應用中,設計使用SiC的反激輔助電源,給系統的芯片供電。在調試過程中,當次級輸出負載短路時,SiC非常容易發生損壞,柵極G和源極S之間短路,調整SiC的柵極驅動外圍參數,例如,增加柵極驅動的關斷電阻值、柵極與源極并聯電容,都沒有明顯的改善。
反激輔助電源的PWM控制器Vcc使用變壓器的輔助繞組供電,當變壓器的次級輸出負載短路時,輔助繞組的電壓降低到非常低的值,幾乎為0,Vcc電壓也從正常工作值下降,因為Vcc并聯電的電容很大,Vcc電壓下降時間非常慢, 如果Vcc高于PWM控制芯片Vcc的UVLO,那么PWM控制芯片仍然在工作,直到Vcc電壓低于UVLO值,PWM控制芯片才停止工作。
常用反激PWM控制器IC的Vcc的UVLO值通常為6.5-8.5V,如圖1所示。

(a) PWM控制器UCx84x

(b) PWM控制器1

(c) PWM控制器2
圖1? 反激PWM控制器VCC的UVLO電壓
次級輸出短路,初級SiC工作峰值電流非常大,SiC的驅動電壓在接近UVLO電壓值工作,VGS電壓比正常工作時的電壓低很多,這樣,SiC進入到線性區工作。當SiC在工作線性區時,驅動電壓VGS越低,工作的電流最大值越低,也就是導通電阻及對應損耗急劇增加,導致SiC局部單元的柵極氧化區在高電場強度、高溫的反復沖擊下發生損壞。
在SiC的數據表中,列出了VGS與ID關系,如圖2所示。當VGS=7V時,二顆1700V的SiC對應的最大工作電流非常小,分別為0.05A、0.2A。盡管器件1標稱的導通電阻小于器件2,但是,VGS=7V,器件1的飽和電流遠低于器件2,因此,在次級輸出短路時,器件1更容易發生損壞。

(a) 器件1,1700V/1Ω

(b) 器件2:1700V/1.2Ω
圖2? SiC的VGS與ID關系
SiC源極串聯的電流取樣電阻RS在高峰值電流工作下,電流取樣電阻的電壓值VS變大,SiC工作的實際驅動電壓VGS會進一步降低,反激變換器的變壓器發生飽和以及電流檢測電路的RC濾波器時間常數大,都會進一步加劇SiC線性區工作的惡劣條件,導致損壞的發生。
為了解決這個問題,必須選用專用的UVLO高的反激PWM控制器,如BD768X的UVLO 最小值為13V,UCC28C56、57、58、59系列的UVLO值為12.5V,14.5V,15.5V,可以針對不同特性的SiC進行選擇。其它的UCCx8C5x系列的UVLO值為6.6-9V,BD7679的UVLO為6.5V,以及普通的UCCx84x,就不適合基于SiC的反激輔助電源使用。

(a) BD768X(2/3/4/5)的UVLO


(b) UCCx8C5x系列的UVLO
圖3? 高UVLO值的PWM控制器
使用UCC28C56L,工作頻率40kHz,Vin=800V,次級輸出短路時的波形,如圖4所示,此時,SiC能正常工作,不發生損壞。

圖4? 次級輸出短路時的波形
那么,為什么同樣應用,功率MOSFET管在次級輸出短路時,不容易發生損壞?因為,對應于同樣的導通電阻,功率MOSFET管在VGS=7V,飽和電流ID遠遠大于SiC器件,如圖5所示。

(a) 器件1,700V/0.9Ω

(b) 器件2,700V/0.95Ω

(c) 器件3,700V/1Ω
圖5? 功率MOSFET管VGS與ID關系

圖6? 功率MOSFET管次級短路波形
在正常關機過程中,初級峰值電流小,SiC不會進入線性區或線性區工作時間非常短,就不容易發生損壞。