摘　要：目前，在电动汽车、航空航天、煤矿、海洋油田等高电压等级、高频、高温、高功率密度环境中，碳化硅器件容易出现过流过压等短时过载情况而目前市场应用的多数驱动电路无法适应各种型号的SiC-MOSFET，本文设计了一种以IX4351为驱动芯片，可适应大多数厂家碳化硅器件参数的驱动电路。该驱动电路可实现负压调节自适应各类型号的SiC-MOSFET并且能够提供足够的峰值电流，实现驱动碳化硅并联电路，分析了碳化硅驱动电路的特点，计算了驱动功率，给出以IX4351为驱动核的驱动电路原理图。仿真和实验结果证明，本文中设计的SiC-MOSFET驱动电路可驱动并联SiC-MOSFET，能够驱动不同厂家提供的不同参数的碳化硅器件。

关键词：并联SiC-MOSFET；IX4351；驱动电路；驱动电阻

０　引言

随着电力电子技术的逐步成熟，其应用场景越来越倾向高压、高频，为提高产品性能，大多数厂家采用高功率器件[1]。而SiC材料因其具有宽禁带、高临界雪崩击穿电场强度、高热导率、小介电常数、高饱和飘逸速度等突出优点，相较于Si材料更适合在高温、高频、高功率的领域中应用[2]。因此SiC材料经常应用于航空航天、电动汽车、煤矿、海洋油田等领域。

由于SiC-MOSFET在高频的工作环境下其开通关断的过程中会产生较大的du/dt与di/dt，从而影响功率器件装置的变换效率以及功率密度的提升[3]。极易出现过压或者过流等短时过载情况，容易对器件造成损坏。同时在一些需要多个SiC-MOSFET并联的大功率应用场合中，由于多个SiC-MOSFET是需要同时驱动，往往会出现桥臂上下管的高频串扰现象造成栅极出现电压尖峰，从而影响驱动电路的正常运行[4]。

近年来，国内外对提升SiC-MOSFET的效率的研究逐步放在了驱动侧，通过设计改进驱动电路从而抑制电流电压尖峰及振荡、桥式串扰问题[5-9]。张全柱教授设计的基于APD202碳化硅驱动核驱动电路，其外围电路简单，并且具有良好的驱动能力以及保护能力[6]。王建渊等学者中设计了一种基于1ED120N12AF磁耦芯片，用于全桥变换器的SiC-MOSFET驱动电路，有效改善了同桥臂开关管在开关过程中造成的栅源极振荡的问题[9］。彭咏龙等学者设计了一种将1ED120N12AF磁耦芯片和IXDD630相结合的驱动电路，该驱动电路适用于多管并联的应用场景[7]。但是上述文献中，其驱动电路大多只对单一型号的SiC-MOSFET进行驱动，对于海洋油田、煤矿等领域中，其SiC-MOSFET型号不统一，所设计的驱动电路必须具有一定柔性，来适配井下各种的井下功率器件，同时要满足大众厂商的SiC零器件。

目前，市面上主流的SiC-MOSFET厂家有Rohm、Wolfspeed、Infineon，以耐压等级1200V为标准，Rohm公司的SCH2080KE其栅极驱动电压的范围是-10V/+26V[2]；Wolfspeed公司的C3M0016120K其栅极驱动电压为-4V/+15V[6]；Infineon公司的FF6MR12W2M1_B11其栅极驱动电压为--5V/+15V[10]。其栅极驱动电压都不统一，因此设计一款能够驱动并联SiC-MOSFET并且能够实现负压调节，实现可调节负压的驱动电路是十分重要。

１　电路系统组成及SiC-MOSFET驱动电路设计要求

1.1 电路系统组成

基于并联SiC-MOSFET驱动电路方案如图１所示，由DSP控制板、驱动模块、并联SiC-MOSFET电路组成。

1.2 驱动电路设计要求

由SiC-MOSFET的特性以及各厂家提供的静态参数可知SiC-MOSFET驱动电路主要有以下要求：

（1）SiC-MOSFET驱动电路的驱动电源需要适配驱动电路；

（2）以及所提供的峰值电流需尽可能的大，以此来提高开关速度，减小米勒平台的持续时间，达到驱动SiC-MOSFET并联电路目的，提高效率[2]；

（3） 在高频的工作环境中，需要提供可靠且稳定的驱动信号以此驱动并联SiC-MOSFET，从而达到准确的开通及关断；

（4）为减小开关损耗，应提供足够的栅极电流以及对应的栅极电压；

（5）故障返回时，驱动电路的故障保护功能应快速做出反应，启动故障保护功能且能够将故障信号快速准确的传递给控制电路，使控制电路能够对故障信号第一时间做出响应指令；

（6）为满足设计的通用性，应当能够满足根据不同器件参数调节负电压；

图２为本次设计依据以上驱动电路设计要求设计的方案框图

２　驱动电路设计及原理分析

2.1 驱动芯片选择

为实现对不同SiC-MOSFET可调节驱动电路设计，驱动芯片的选择应当能够实现负压的自调节以及提供足够大的驱动电流，以降低开关损耗，根据式（1）计算出驱动电路所需的平均驱动电流Ig为：

其中，QC为驱动电路栅极驱动电荷；td（on）为开通延迟时间；tr为上升时间。结合所选SiC-MOSFET数据手册可计算出驱动电路所需的驱动电流大小。根据以上分析，本文选择驱动IX4351芯片作为驱动核。该芯片所需的供电电压为+13~+25V同时能够提供额定9A的峰值电流，满足在高频环境下的使用，且能够实现自调节负压。图3为IX4351功能框图。

2.2 驱动电源设计

为满足驱动电路的通用性，本文设计的驱动电路以IX4351为驱动芯片，该芯片的驱动电压为+13~+25V，可输出额定为9A的高峰值电流，采用单电源供电。因此基于驱动芯片的特性，研究设计了隔离电源电路，由输入CLC滤波电路、隔离电源模块、以及输出滤波电路组成。该驱动电源电路可根据实际应用情况输入9~36V电压VCC，通过隔离电源模块输出稳定隔离的驱动电压VDD。

当驱动电源模块输出稳定的驱动电压时，根据IX4351数据手册可知IX4351还需提供负电压。因此通过图５所示，将驱动电压转为负电压。

2.3 负偏置电压调节设计

由数据手册可知IX4351内部含有4.6V稳压器Ｖ(REG)为低压控制电路提供电源。可提供高达10mA的电源，并且用于设置负偏置电压和电源外部逻辑光耦。IX4351可产生负调节的电压输出(Vss)。当IX4351处于闭环模式下工作，通过VDD产生Vss。负调节电压是通过调节分压电阻R1和R2阻值大小来实现。为便于调节也可将R1、R2换成可调电阻。负调节电压Vss的计算公式如下：

根据数据手册选择R1、R2的阻值分别为40KΩ和44KΩ，由上式得出Vss的值为-5.06V。

2.4 驱动电路设计

驱动电路设计主要包含信号传输电路设计、驱动电路设计、故障监测电路设计以及保护电路设计。

2.4.1 信号传输电路设计

如图８所示，为适应在高频工作环境中的使用，本设计采用的信号传输电路通过CPU输出PWM控制信号，通过高速隔离光耦实现信号单向传输，增强抗干扰能力。光耦输出侧电源由IX4351芯片的Vreg提供稳定的参考电压，保证了输出信号的稳定。

2.4.2 故障监测电路设计

故障监测电路原理图如图９所示，当驱动电路产生故障信号时，通过IX4351驱动芯片提供稳定的参考电压，并且输出故障信号至隔离光耦。为实现信号有效传输，去除高频干扰，在输出故障信号端接入RC滤波。

正常情况下，隔离光耦输出端接入上拉电阻，输出高电平，当检测到碳化硅出现过流、过压、负电平功率不足等故障时，FAULT端输出故障信号，此时隔离光耦输出低电平信号。

2.4.3 保护电路设计

如图10所示，保护电路确保在过电压的情况下保护外部SiC-MOSFET。DESAT引脚通过监测电阻RD和DD1以及DD2监测功率SiC-MOSFET的漏极电压。其原理为：

如果漏极或者集电极电压超过DESAT阈值电压UDSAT（由IX4351数据手册得其阈值电压UDSAT为6.8V），则启动受控关断序列，由下式计算出RD阻值：

其中I0为SiC-MOSFET的短路电流。由图８可知OUTSRC被关闭，OUTSOFT（软关断接收驱动器输出引脚）被打开。OUTSFT的900mAsink能力可以允许SiC-MOSFET缓慢关闭。同时OUTSNK（栅极驱动器灌电流输出引脚）打开并快速将GATE拉至Vss。这两步关断避免了dv/dt过电压通过SiC-MOSFET，通过ZC和CB进行稳压，稳定输出6.8V电压。

由于IX4351内部设有DESAT比较器，该比较器在固定的时间（Tblank）内被禁用，以避免在外部SiC-MOSFET开启期间检测错误的去饱和事件。因其标定的时间为450ns，因此通过调整RD和CB的值来提高该时间。通过式（4）计算出CB的值。

2.4.4 栅极驱动电路设计

其中栅极驱动电阻的大小影响SiC-MOSFET的开关时间以及开关损耗、反向偏压安全工作区、短路安全工作区等，栅极驱动电阻的选择是驱动电路设计的重要部分。栅极驱动电阻RG计算公式如下：

式中，IGM是栅极峰值电流；VG(on)是正偏电源电压；VG(off）是负偏电源电压；RG(int)是模块内部电阻。

根据器件参数可知，IGM为9A；VG(on）为15V；VG(off)为5.06V；内部驱动电阻为０；根据参数计算得驱动电阻R_G为1.1Ω。因驱动电阻越小，开关损耗就越小，其驱动信号上升以及下降的时间也越少，则根据以上分析，将开通驱动电阻R_Gon阻值选为２Ω，关断驱动电阻R_Goff阻值选为２Ω。

为保证开通关断的可靠性和稳定性，将SiC-MOSFET的栅极与发射极通过均流电阻用瞬态抑制二极管以及平衡电阻相并联。这样则可防止栅极电压超过阈值范围，保证SiC-MOSFET的稳定性、安全性以及高效性。

由图11可知，IX4351芯片可输出一路门级驱动信号，驱动两路并联SiC-MOSFET。其中由器件参数可知：瞬态抑制二极管分别选择SMF18A以及SMF6.5A。本文设计的以IX4351为驱动核的外部原理图如图12所示。

３　实验结果分析为探究

并联SiC-MOSFET自调节驱动电路的可行性，对其进行实验分析。如图13所示搭建由DSP控制板、SiC-MOSFET驱动电路、并联SiC-MOSFET主回路、示波器、可调电源等组成的实验平台。

图14和图15分别为输入脉冲频率为60KHz，占空比分别为50%、20%时，栅极驱动波形，可以看出上下桥两路波形呈互补状态，死区时间为１微秒，其高电平幅值为+15V，低电平幅值为-5V，图16和图17为脉冲频率为100KHz，占空比为50%以及20%时的栅极驱动波形，该波形的高电平幅值为+15V，低电平为-5V。

通过分析波形可知，在60KHz以及100KHz情况下，波形的上升以及下降沿有一定的缓冲趋势，开通以及关断损耗降低，转换效率增加。在高频条件下，不同占空比的输入脉冲驱动并联SiC-MOSFET电路，米勒平台并未有明显地出现，上下桥两路波形没有出现明显的电压尖峰。因此该电路能够在高频的环境下稳定的驱动并联SiC-MOSFET电路。

４　结论

（1）本文设计的并联SiC-MOSFET自调节驱动电路是基于IX4351为驱动核设计的驱动电路，可以适应目前市面上主流SiC-MOSFET厂家的碳化硅驱动电压参数，能够通过调节器件参数实现负压调节，具有良好的适用性。

（2）在高频的工作环境中，能够提供稳定的驱动信号来驱动并联SiC-MOSFET，达到准确的开通及关断，并且提供足够的驱动电压，有效降低开关损耗，具有市场应用价值。

参考文献：

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