碳化硅模塊（SiC模塊/MODULE）大電流下的驅動器研究

發布時間：2024-5-10 09:29 發布者：Eways-SiC

關鍵詞：碳化硅 MOS , 電機驅動器 , 短路保護 , 驅動振蕩 , 雙脈沖實驗

由于碳化硅（SiC）MOSFET具有高頻、低損耗、高耐溫特性，在提升新能源汽車逆變器效率和功率密度方面具有巨大優勢。對于SiC MOSFET功率模塊，研究大電流下的短路保護問題、高開關速度引起的驅動振蕩問題尤為重要。針對這些問題，設計了大電流下SiC MOSFET功率模塊的驅動器，包括電源電路、功率放大電路、短路保護電路、有源米勒鉗位電路和溫度檢測電路。在分析了驅動振蕩機理后，通過有限元軟件提取了驅動回路的寄生電感，優化驅動回路布局，使得開通與關斷回路雜散電感分別降低到 6.50 nH和 5.09 nH。最后，以Cree公司的1 200 V/400 A CAB400M12XM3功率模塊為測試對象，利用雙脈沖實驗驗證了所設計驅動電路的合理性及短路保護電路的可靠性，對于800 A的短路電流，可以在1.640 μs內實現快速短路保護。 (碳化硅功率模塊（SiC MODULE）大電流下的驅動器研究https://pan.baidu.com/s/1uvdZogcAa28cFXC0hyoBXA提取碼cwrk)

隨著電力電子技術的發展，高耐壓、高效率、高結溫已成為電力電子器件技術的發展趨勢[1]。與傳統的 IGBT 相比，第三代寬禁帶半導體器件SiC MOSFET 在高開關速度、高耐壓、低損耗等方
面具有優勢，已成為近年來新的研究熱點。電動汽車要求電驅動系統具有高功率密度、高效率、高工作溫度以及高可靠性，SiC MOSFET 在電驅動系統中的優勢與潛力，為電動汽車小型化、輕量化的發展注入了新的動力[3-4]。然而，SiC MOSFET 的高頻、高速開關速度特性，使其對驅動回路與功率回路的寄生參數敏感度增大，在開關過程中更易產生電壓電流的過沖和振鈴，引發電磁干擾問題，也會導致橋臂串擾和驅動振蕩問題，嚴重威脅電驅動系統的安全[5-6]。文獻[7]設計了 SiC MOSFET 的驅動電路，通過在器件柵極和源極兩端并聯電容，減慢開關速度，在犧牲效率的情況下，避免了橋臂串擾引起的驅動振蕩問題。但是該研究只是針對電流等級比較小的單管 SiC MOSFET 設計的驅動電路，而隨著電流等級的增加，橋臂串擾、驅動振蕩以及短路保護問題會變得嚴峻，有必要對大功率SiC功率模塊的可靠驅動進行研究。文獻[8]設計了一種 SiC MOSFET 快速保護電路，利用分流器檢測法檢測短路電流，雖然可以實現快速保護，但是串聯的電阻會增加損耗。文獻[9]采用分立器件搭建了一種 SiC MOSFET 高溫驅動電路，高溫驅動下效果較好，但是分立器件增加成本的同時也增加了故障率。文獻[10]設計了一種柵極有源鉗位電路來抑制橋臂串擾問題，但是實驗驗證使用的 SiC MOSFET 仍然為小功率的單管器件，對于在大功率SiC功率模塊中的實際應用效果沒有進行實驗驗證。本文針對大電流 SiC MOSFET功率模塊的驅動與保護問題，設計了一款驅動器。采用高可靠性、高抗擾性能的電源及驅動芯片設計驅動電路，增加共模電感提高驅動電路抗擾性能，設計短路保護電路實現對大電流短路故障的快速響應。通過對 SiC MOSFET 驅動振蕩機理的分析，指出優化驅動回路PCB走線布局，減小驅動回路寄生電感是抑制振蕩的有效途徑。利用 AnsysQ3D Extractor 軟件提取驅動回路寄生電感，進而優化驅動電路布局。最后，通過雙脈沖實驗驗證驅動電路設計的合理性，通過短路保護實驗驗證短路保護的快速性和可靠性。
1 驅動及保護電路設計
SiC器件的高頻和高開關速度特性會帶來一些特殊問題。例如，高開關速度引起的高dv/dt和di/dt會產生較大干擾，這些干擾很容易串入驅動回路，使驅動信號受到干擾。因此SiC MOSFET驅動
電路設計的著力點在于增強可靠性和抗干擾能力。1.1 電源電路設計為了保證功率器件可靠關斷，抑制橋臂串擾引起的誤開通問題，SiC MOSFET需要采用負壓關斷。采用高可靠性隔離電源模塊 MGJ2D121505SC將+12 V 的輸入電壓轉換為+15 V和-5 V。MGJ2系列 DC-DC 轉換器具有很高的隔離度和抗干擾性能，超低的耦合電容可以抑制干擾的影響。

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