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碳化硅模塊（SiC模塊/MODULE）大電流下的驅(qū)動器研究

發(fā)布時間：2024-5-10 09:29 發(fā)布者：Eways-SiC

關(guān)鍵詞：碳化硅 MOS , 電機驅(qū)動器 , 短路保護(hù) , 驅(qū)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(yōu)勢。對于SiC MOSFET功率模塊，研究大電流下的短路保護(hù)問題、高開關(guān)速度引起的驅(qū)動振蕩問題尤為重要。針對這些問題，設(shè)計了大電流下SiC MOSFET功率模塊的驅(qū)動器，包括電源電路、功率放大電路、短路保護(hù)電路、有源米勒鉗位電路和溫度檢測電路。在分析了驅(qū)動振蕩機理后，通過有限元軟件提取了驅(qū)動回路的寄生電感，優(yōu)化驅(qū)動回路布局，使得開通與關(guān)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(shè)計驅(qū)動電路的合理性及短路保護(hù)電路的可靠性，對于800 A的短路電流，可以在1.640 μs內(nèi)實現(xiàn)快速短路保護(hù)。 (碳化硅功率模塊（SiC MODULE）大電流下的驅(qū)動器研究https://pan.baidu.com/s/1uvdZogcAa28cFXC0hyoBXA提取碼cwrk)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，高耐壓、高效率、高結(jié)溫已成為電力電子器件技術(shù)的發(fā)展趨勢[1]。與傳統(tǒng)的 IGBT 相比，第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件SiC MOSFET 在高開關(guān)速度、高耐壓、低損耗等方
面具有優(yōu)勢，已成為近年來新的研究熱點。電動汽車要求電驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)中的優(yōu)勢與潛力，為電動汽車小型化、輕量化的發(fā)展注入了新的動力[3-4]。然而，SiC MOSFET 的高頻、高速開關(guān)速度特性，使其對驅(qū)動回路與功率回路的寄生參數(shù)敏感度增大，在開關(guān)過程中更易產(chǎn)生電壓電流的過沖和振鈴，引發(fā)電磁干擾問題，也會導(dǎo)致橋臂串?dāng)_和驅(qū)動振蕩問題，嚴(yán)重威脅電驅(qū)動系統(tǒng)的安全[5-6]。文獻(xiàn)[7]設(shè)計了 SiC MOSFET 的驅(qū)動電路，通過在器件柵極和源極兩端并聯(lián)電容，減慢開關(guān)速度，在犧牲效率的情況下，避免了橋臂串?dāng)_引起的驅(qū)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(shè)計的驅(qū)動電路，而隨著電流等級的增加，橋臂串?dāng)_、驅(qū)動振蕩以及短路保護(hù)問題會變得嚴(yán)峻，有必要對大功率SiC功率模塊的可靠驅(qū)動進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[8]設(shè)計了一種 SiC MOSFET 快速保護(hù)電路，利用分流器檢測法檢測短路電流，雖然可以實現(xiàn)快速保護(hù)，但是串聯(lián)的電阻會增加損耗。文獻(xiàn)[9]采用分立器件搭建了一種 SiC MOSFET 高溫驅(qū)動電路，高溫驅(qū)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(xiàn)[10]設(shè)計了一種柵極有源鉗位電路來抑制橋臂串?dāng)_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(yīng)用效果沒有進(jìn)行實驗驗證。本文針對大電流 SiC MOSFET功率模塊的驅(qū)動與保護(hù)問題，設(shè)計了一款驅(qū)動器。采用高可靠性、高抗擾性能的電源及驅(qū)動芯片設(shè)計驅(qū)動電路，增加共模電感提高驅(qū)動電路抗擾性能，設(shè)計短路保護(hù)電路實現(xiàn)對大電流短路故障的快速響應(yīng)。通過對 SiC MOSFET 驅(qū)動振蕩機理的分析，指出優(yōu)化驅(qū)動回路PCB走線布局，減小驅(qū)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(qū)動回路寄生電感，進(jìn)而優(yōu)化驅(qū)動電路布局。最后，通過雙脈沖實驗驗證驅(qū)動電路設(shè)計的合理性，通過短路保護(hù)實驗驗證短路保護(hù)的快速性和可靠性。
1 驅(qū)動及保護(hù)電路設(shè)計
SiC器件的高頻和高開關(guān)速度特性會帶來一些特殊問題。例如，高開關(guān)速度引起的高dv/dt和di/dt會產(chǎn)生較大干擾，這些干擾很容易串入驅(qū)動回路，使驅(qū)動信號受到干擾。因此SiC MOSFET驅(qū)動
電路設(shè)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(shè)計為了保證功率器件可靠關(guān)斷，抑制橋臂串?dāng)_引起的誤開通問題，SiC MOSFET需要采用負(fù)壓關(guān)斷。采用高可靠性隔離電源模塊 MGJ2D121505SC將+12 V 的輸入電壓轉(zhuǎn)換為+15 V和-5 V。MGJ2系列 DC-DC 轉(zhuǎn)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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