2023年6月26日发(作者：)

摘 要

自20世纪50年代电力电子技术诞生以来，经过几十年的快速发展，广泛用于电力系统，电机速度控制系统以及需要电力转换的各种电力系统。功率电子开关设备是电子技术的基础，也是电子技术发展的平台。目前对碳化硅双向电子开关的研究大部分集中在碳化硅JFET方向，对碳化硅MOSFET的研究比较少。 但是，在使用时，碳化硅JFET的栅极在实际应用时只能外接反向电压，对于正向的输入电压却不能正常工作。因此，改进和优化碳化硅MOSFET驱动电路以及设计研究碳化硅MOSFET的双向开关具有突出的理论和实际意义。 针对这一实际问题，本文对碳化硅MOSFET及其相关特性进行了研究，并根据综合比较的特点和筛选出的碳化硅MOSFET芯片进行了实际实验。 并根据制造商提供的相关数据开发出三种相应的驱动电路（增强型栅极驱动电路，为了隔离 DC- DC转换器驱动器电路， 不需要负的栅极偏置驱动器电路）， 并且利用选中的芯片与驱动电路研究设计电路保护技术（器件级与驱动级）以保证芯片及驱动电路的正常运行， 最终利用以上研究成果设计搭建双向电子开关电路。针对碳化硅的双向碳化硅功率电子开关的研究和设计对优化功率开关器件和促进电力电子技术的发展具有重要意义。

关键词：双向开关电路，碳化硅MOSFET，驱动电路

Abstract

Since the birth of power electronics technology in the 1950s, after decades of

rapid development, it has been widely used in power systems, motor speed control

systems, and various power systems that require power conversion. Power electronic

switchgear is the basis of electronic technology and a platform for the development of

electronic technology. At present, the research on silicon carbide bidirectional

electronic switches is mostly concentrated in the silicon carbide JFET direction, and

there are few studies on silicon carbide MOSFETs. However, in use, the gate of the

silicon carbide JFET can only be externally applied with reverse voltage in the actual

application, but it cannot work normally for the forward input voltage. Therefore, it is

of great theoretical and practical significance to improve and optimize the silicon

carbide MOSFET driver circuit and design and research the bidirectional switch of

silicon carbide MOSFET. In view of this practical problem, the silicon carbide

MOSFET and its related characteristics are studied in this paper. Based on the

characteristics of comprehensive comparison and the selected silicon carbide

MOSFET chips, practical experiments are carried out. Three corresponding drive

circuits (enhanced gate drive circuit, in order to isolate the DC-DC converter driver

circuit, no need for a negative gate bias driver circuit) were developed based on the

data provided by the manufacturer, and the selected The chip and drive circuit

research and design circuit protection technology (device level and driver level) to

ensure the normal operation of the chip and the drive circuit, and finally use the above

research results to design and build a bidirectional electronic switch circuit. The

research and design of silicon carbide bi-directional silicon carbide power electronic

switches are of great significance for optimizing power switching devices and

promoting the development of power electronics technology.

Key words：Bidirectional switch circuit, SiC MOSFET, Drive circuit

目 录

1绪论………………………………………………………..…………………..………..…………..………………….1

1.1课题背景及意义……………………………………………..…………..……………….………………1

1.2国内外发展及研究现状分析….…………………………………….……………………..………1

1.2.1 SiC器件的发展概况………………………..………………………………………..………1

1.2.2 SiC MOSFET的发展情况………………………….……………………………..…………5

1.2.3 SiC MOSFET双向开关的发展现状……………………………………….……..……7

2 SiC MOSFET芯片选取以及驱动电路研究….……………………………………………………....8

2.1 SiC MOSFET特性研究………………..……………………………………………………….….…..8

2.2实验元件的选取…………………………………………………………….……..………….………...9

2.3 C2M0040120D的驱动电路……………….…….…………………………………………..…...14

3双向开关结构的研究……………………………………………..………………...……………………....23

3.1双向开关的结构………………………………………………………………………………………...23

3.2双向开关电路的保护技术………………………………………………………………………….25

3.2.1器件级的保护………………………………………………………………………..….…...25

3.2.2驱动级的保护…………………………………………………………..……………….…...25

3.2.2.1设计驱动保护电路的依据……………………………………………….26

3.2.2.2 SiC MOSFET驱动保护电路方案概述……………………………....26

3.3驱动保护电路…………………………………………………………………………………………….28

3.4双向开关电力路的实际设计…………………………………………..………………………...28

致谢………………………………………………………………………………………………………………………..29

参考文献………………………………………………………………………………………………………………..30

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

自20世纪50年代电力电子技术诞生以来，经过几十年的快速发展，广泛用于电力系统，电机速度控制系统以及需要电力转换的各种电力系统。功率电子开关设备是电子技术的基础和电子技术发展的平台。1958年由通用电气（ CE）开发的首款工业通用晶闸管（scr）它标志着电力电子开关技术的诞生， 并宣布人类在电能转换和控制方面已经进入新的一个阶段， 交流单元和固定式离子交换器已进入由电子开关构成的新型转换器时代。目前，随着全球能源互联网的建设，风力发电和光伏发电大规模接入电网，使电力电子设备得到了大量应用。 电力开关设备在电力电子设备中起着重要的作用，其设计也影响电力转换器和其他设备的质量。 在目前的电子技术研究中，双向电子开关器件的相关研究占据关键的一个位置，其中诸如多电平逆变器， 矩阵转换器， HEHRC逆变器等相关技术的关键组件包括双向开关装置。

多电平逆变器及相关技术的研究和应用主要针对高电压和大容量应用等类似场合。作为近些年来现代电力电子技术的最新研究成果之一，多电平逆变器的相关研究受到了广泛关注并在一定程度上得到了应用。多电平逆变器输出可以具有更多级别的输出电压波形，谐波含量小，波形接近正弦波，逆变器性能更好，更适合高电压大容量电力电子转换。

矩阵变换器相比于传统的交-直-交变换器优点众多，主要原因在于其自身的结构特点：不需要稳压大电容和前端整流，结构紧凑，功率密度大，使其便于集成；输入电流、输出电压同时可控，谐波污染小；不存在直流侧单点故障等。

1.2国内外发展及研究现状分析

1.2.1 Si C器件的发展概况

我们都知道，20世纪80年代后期，电力系统已发展成为具有跨区域联网，超高压，长距离传输特性的庞大系统。自20世纪90年代后期以来，随着世界范围能源互联网的建设，以风电和光伏发电为代表的可再生能源大规模接入电网。大力推动电力系统技术发展和进步。而随着社会经济和电力系统的迅猛发展，人

们对现代电力系统的运行控制提出了更高的要求。 更安全，更稳定，更灵活，更高效的动力系统正在成为人们追求的方向。这也给现代电网的管理和运行模式带来了深刻的变化

在过去的十几年中，高功率半导体器件和变流技术的快速发展使现代高性能电力电子器件在电力系统应用中展现出无与伦比的强大的生命力。与传统的电力系统控制设备相比较，现代高性能的电力电子器件具有一连串特点： 具有变流、变频和调相能力； 快速的响应性能(数 ms)； 利用极小的功率控制极大功率；高精度控制是可行的（对于50-60 Hz系统，设备触发相位可精确到）; 变流器体积小、重量轻等。正因如此，近些年以来，电力电子技术在能源生产，输送，配送和使用的整个过程中的方方面面得到了广泛而重要的应用。然而，与其他应用领域相比，电力系统要求电力电子具有更高的可靠性。

目前，随着全球能源互联网的建设，风力发电和光伏发电大规模接入电网，使电力电子设备得到了大量应用。 电力开关设备在电力电子设备中起着重要的作用，其设计也影响电力转换器和其他设备的质量。众所周知，目前使用的绝大多数功率开关器件仍然以硅材料为主。近年来现代硅基功率半导体器件的快速发展和成熟导致各种新型高功率电力电子器件成功应用于各种工业电源，电机驱动，电力牵引，电力质量控制，可再生能源发电，分布式发电，国防和尖端科学技术。硅在地球上储量大，成本低，室温下化学性质非常稳定。 硅功率器件的应用也非常成熟。 然而，随着对电子器件的需求越来越高，硅材料的电子和空穴迁移速度难以满足更高性能半导体器件的需求。 它自身的特点也限制了潮湿，高频的极端条件的应用[4]。 在硅所需的功率开关及其应用中，硅已达到其极限，因此寻找新的硅替代材料越来越受到重视[5-6]。

由于电压和功率容限方面的限制，这些硅基大功率器件必须使用器件串和并行技术以及复杂的电路拓扑来实现实际应用要求。结果，装置的故障率和成本大大增加，这个问题大大限制了现代电力电子在现代电力系统中的应用。

与第一代半导体材料代表硅和第二代半导体材料代表砷化镓相比，碳化硅是第三代半导体材料的主要成员之一，具有宽禁带宽度，高导热率，高击穿电场，

高电子饱和漂移率，低电子迁移率等特点[1-3]，它在高温，高压，大电流，高

频，大功率电力电子领域具有广阔的应用前景，已成为半导体领域的研究热点。表1.1列出了主要半导体材料的物理性质和应用比较。

与以硅为代表的第一代半导体材料和以砷化镓为代表的第二代半导体材料相比较，第三代半导体材料主要成员之一的碳化硅，具有宽禁带、高热导率、高击穿电场、高电子饱和漂移速率、低电子迁移速率等特性[1-3]，在高温、高压大电流、高频大功率电力电子领域有广阔的应用前景，成为半导体领域研究热点，表 1.1罗列了主要半导体材料的物理性质及应用比较。

表1.1 主要半导体材料的比较

材料

禁带宽度（eV）

热导（

）

Si

1.1

1.3

0.3

1350

无

差

中

成熟

低

GaAs

1.4

0.6

0.4

8500

红外

好

差

发展中

高

SiC

3.4

4.9

2.7

950

蓝光/紫外

好

好

初期

高

物理性质 击穿电压（

）

电子饱和漂移速率（

）

电子偏移速率（

）

光学应用

高频应用

应用情况 高温性能

发展阶段

相对制造成本

SiC（碳化硅）是由硅（Si）和碳（C）组成的化合物半导体材料。它的介电击穿场强比Si强9倍，其带隙是Si的3倍。 当制造成器件时，它可以在很宽的范围内控制必要的p型和n型，因此它被认为是功率器件超过Si极限的材料。SiC晶体很多，存在各种多型体，多型体的物理性质也各不相同。 4H-SiC最适合用于功率器件的生产。

表1.2 半导体材料性质对比

Properties

Crystal Structure

Si

Diamond

4H-SiC GaAs GaN

Hexagonal Zincblende Hexagonal

Energy Gap:

Electron Mobility:

Hole Mobility:

Breakdown Field:

Thermal Conductivity

Saturation Drift Velocity:

1.12

1400

600

0.3

1.5

1

11.8

〇

〇

3.26

900

100

3

4.9

2.7

9.7

〇

〇

1.43

8500

400

0.4

0.5

2

12.8

〇

3.5

1250

200

3

1.3

2.7

9.5

△

Relative Dielectric Constamt:

p.n Control

Thermal Oxide

碳化硅绝缘击穿场强约为硅的10倍，因此在生产高压功率器件时漂移层具有较高的杂质浓度和较薄的从六百伏到几千伏的厚度。 高耐压功率器件的阻抗主要来自于该漂移层的阻抗，因此SiC制作的高耐压器件单位面积导通电阻非常低。 理论上，对于同一耐压器件，Si的单位面积漂移层的电阻是SiC的300倍。在Si材料中，为了解决高导通电阻和高导通电阻的问题，主要解决方案是使用IGBT（绝缘栅双极型晶体管： 绝缘栅极双极型晶体管) 这一类少数载流子器件，但是这也导致了开关损耗增大，而由此产生的热量会限制IGBT的高频驱动。SiC材料使用高压器件作为多数载流子器件来实现高电压，低导通电阻和高频率。 另外， SiC的带隙比较宽，达到 Si的3倍， 因此，由 SiC材料制成的功率器件即使在高温条件下也能够稳定地工作（尽管受封装的耐热性限制， 只能保证150°

C〜175° C，但随着未来封装技术的进步，可保证200° C以上的温度）。

SiC可以在高频器件结构的SBD（肖特基势垒二极管）结构中获得1200V或更高的高压二极管。 （Si 的SBD最高耐压为150V左右)。 因此，如果使用SiC-SBD取代快速PN结二极管（FRD： 快速恢复二极管）可以显着降低恢复损耗，这有助于电源的高效率，并且通过高频驱动实现线圈等无源器件的小型化，并且可以降低噪声。 它广泛应用于功率因数校正电路（PFC电路）和整流桥电路，如空调，电源，光伏发电系统中的功率调节器，以及电动汽车的快速充电器。

目前，罗姆的SiC-SBD主要产品线是600V，1200V，1700V产品正在开发中。

碳化硅（Si C）和氮化镓（Ga N）独特的物理和化学特性是制造高开关频率，

高电压等级和高温器件的理想材料。与氮化镓（GaN）相比来说，同质外延碳化硅（SiC）在高于600 V的开关应用中更占优势，尤其是对于更高功率的应用。碳化硅MOSFET是目前最成熟的功率开关器件，已投入商业化生产[7-9]。

1.2.2 Si C MOSFET的发展情况

碳化硅（SiC）结场效应开关晶体管具有高输入阻抗，低噪声和良好的线性度。 它是目前正在开发中的最成熟的碳化硅（Si C）开关器件之一，也已投入商业应用。 JFET的生产工艺比较简单，不存在栅极氧化层缺陷导致的稳定性问题，载流子迁移率低，单极动态特性可使其在高频条件下稳定工作。 另一方面，JEFT设备可以在更高的温度条件下稳定工作[15-17]。然而，碳化硅（Si C）JEFT的栅极结结构导致通常为JEFT的负阈值电压，即常开型器件。 这也限制了它在电源转换器中的应用，并且与电流驱动电路不匹配。 美国Semisouth公司和罗格斯大学采用了TLVJEFT生产工艺来开发一种常开增强型JEFT。但是，增强型的JEFT通常需要牺牲某些特定的正向导通电阻特性，所以常通型可以更好地实现高功率密度和电流能力。 此外，常通JEFT器件也可以级联以实现常关型，即串联的低电压Si型MOSFET。级联的后JEFT驱动器电路可以与普通的硅器件驱动器相匹配。 级联拓扑可以很好地替代高压和高功率应用中现有的硅IGBT器件，而不需要对驱动电路进行重大改变。

目前，碳化硅（Si C）JEFT已经在一定程度上量产，而英飞凌和SiCED是商业应用的主要产品。 其器件电压幅度为1200V和1700V。2011年8月，美国田纳西大学报道了一款50kW碳化硅功率模块。 2011年11月，Global Power

Electronics开发出可在高温条件下使用并由SiC JEFT制造的SiC三相逆变器。

该模块的最大功率能够达到50 KW，效率远比 Si模块要高出许多。2013年，罗克韦尔将碳化硅SBD与600 V / 5 A 的MOS增强型JEFT并联使用，以此开发出最大电流达到25 A的三相电极驱动模块。 同当前较为先进的 IGBT、 pin二极管模块对比： 当功率水平相同时，面积减少40％。

功率MOSFET具有良好的栅极绝缘特性，开关过程稳定，导通电阻低，可靠性高，是硅器件中应用最广泛的功率开关器件。然而，如上所述，硅材料器件的击

穿电压越高，每单位面积的导通电阻越大， 因此当施加电压高于600 V时，所使用的主开关器件是 IGBT。由于IGBT向漂移层注入少数空穴，导通电阻远低于MOSFET。然而，由于少数载流子的积累，在关断过程中会出现尾电流，导致较大的开关损耗。碳化硅器件漂移层具有比硅器件更低的阻抗，并且不需要电导率调制，以在更高的开关频率下仍然实现高击穿电压和低传导损耗。 此外，MOSFET应用中不存在尾电流。因此，碳化硅MOSFET是目前最流行的碳化硅功率开关器件[18-20]。除此之外，碳化硅MOSFET驱动电路的结构相对简单并且与现有功率器件（硅功率MOSFET和IGBT）驱动电路高度兼容。碳化硅功率MOSFET目前存在两个问题：一个是长时间工作后栅氧化层的可靠性问题，另一个是沟道电阻问题。

MOSFET沟道电阻组件导致器件的大的传导损耗。

目前，碳化硅（Si C）MOSFET的商业应用也已经早早开发出来。根据2009年的“电子材料”报告，三菱电机开发了一款11千瓦碳化硅功率转换器。 与目前的通用硅功率器件（IGBT）相比，功耗减少了70％。 此外，Cree还宣布，其公司的C2 M系列1200 V / 80 m碳化硅MOSFET被日本Sanix Corporation采用。

它用于设计新的9.9 KW三相太阳能逆变器，以实现高效率和散热。这将大大推动日本太阳能市场商用光伏发电站的建设。关于碳化硅MOSFET的应用，目前已经进行了大量的研究工作。然而，如何充分发挥碳化硅MOSFET的优异性能目前还存在一些问题。作为控制开关功率器件导通和关断的关键组成部分，MOSFET的驱动设计也成为限制碳化硅MOSFET开发的一个重要方面。对于新型碳化硅MOSFET驱动器的设计工作仍是以原有的硅基功率开关器件为主。由于碳化硅

MOSFET功率器件的物理和结构特性与传统的硅 MOSFET功率器件有很大不同，这也造成了原有驱动技术的应用，无法充分发挥碳化硅 MOSFET的优良特性。 国内外专家学者也认识到了这个问题。

1.2.3 SiC MOSFET双向开关的发展现状

目前对碳化硅双向电子开关的研究主要集中在碳化硅JFET方向，对碳化硅MOSFET的研究则相对较少。 但是，在使用时，碳化硅JFET的栅极在实际应用

时只能外接反向电压，对于正向的输入电压却不能正常工作。因此，碳化硅MOSFET驱动电路的改进和优化以及碳化硅MOSFET双向开关的设计研究具有突出的理论和实际意义。

第二章SiC MOSFET的特性研究、实验芯片选取以及驱动电路研究

2.1 SiC MOSFET的特性研究

卓越的栅极绝缘特性，极高的开关性能，极低的导通电阻和高度的稳定性使得功率MOSFET在硅基器件中无与伦比，并且非常成功。类似地，碳化硅功率MOSFET是最常用的碳化硅功率开关器件。该驱动电路非常简单并且与现有的功率器件（硅功率MOSFET和IGBT）驱动器电路高度兼容。碳化硅功率MOSFET主要面临栅极氧化层长期可靠性和沟道电阻问题的挑战。

随着碳化硅（SiC）MOSFET技术的发展，高性能碳化硅（SiC）MOSFET也被开发出来，并且研究结果报告了具有大电压和电流能力的碳化硅（SiC）MOSFET器件。三菱的1.2kV碳化硅（SiC）MOSFET器件的导通比电阻为5m/cm2，比硅基Cool MOS高15至20倍。 美国 Cree公司报道了8.1 mm×8.1 mm、阻断电压10

kV、电流20 A的碳化硅 MOSFET芯片， 它的正向阻断特性如图2.1.1所示。通过并联上述Cree公司芯片获得的模块具有100A的电流传输能力[6]。在20 V的栅极电压下，器件的电阻率为127 m / cm2，具有良好的高温特性。 在200°C时，在零栅极电压下可实现10 kV的阻断。在碳化硅MOSFETs的可靠性研究中，据报道碳化硅栅氧化层在350℃时具有良好的可靠性[8]。如图2.1.2所示，过去20年来，氧化硅MOSFET栅极氧化层的可靠性得到了显着提高。这些结果表明，栅氧化层预计不再是碳化硅MOSFET的瓶颈。

图2.1.1 10kV碳化硅MOSFET与碳化硅IGBT

图2.1.2 栅氧层性能的改进

2.2 实验元件选取

基于对Si C MOSFET性能优点和相关特性的初步了解，我筛选出三款Si C

MOSFET的元器件——产于Rohm公司的型号SCH2080KE、型号SCT2160KE，产于Cree公司Wolfspeed 型号C2M0040120D。

罗姆是全球领先的半导体制造商之一，总部位于日本京都。 1958年以小电子零部件生产在京都起家的罗姆，在1967年和1969年逐渐步入了晶体管、二极管和IC等半导体领域。在1971年的两年中，罗姆以第一家日本公司的名义进入美国硅谷，并在那里开设了一个IC设计中心。 经过数十年的发展，罗姆的生产、销售、研发网络遍及全球各地。 这些产品涵盖各种领域，包括IC，分立元件，光学元件，无源元件，模块，半导体应用和医疗器械。 在世界电子业界，罗姆公司的许多高品质产品已获得市场的认可和赞誉，并已成为系统集成电路和最新半导体技术的领先公司。 罗姆公司高度重视中国市场，先后在全国各地设立了多个代表处，先后在大连，天津等地设有工厂。 在上海和深圳设立设计中心和质量保证中心，提供技术和质量支持。

Cree成立于1987年，是美国上市公司（1993年，纳斯达克股票代码：CREE）是LED外延，芯片，封装，LED照明解决方案，化合物半导体材料，功率器件和射频领域的世界知名制造商和行业领导者。Cree Corporation是市场上领先的

照明创新者和半导体制造商，通过显着提高固态照明，电力和通信产品的能源效率而增加了价值。 Cree的市场优势来自碳化硅（SiC）材料，并使用这种材料外延处理芯片并制造相关器件。 这些芯片和器件可以在小空间内使用更多功率，同时产生的热量比其他现有技术，材料和产品少。 Cree采用能源回收解决方案（ ROETM）用于多种目的，包括更亮更可调的 LED照明（ LED）， 更亮的背光显示屏，大电流开关电源和变速电机的最佳电源管理，以及对于更高效的无线基础设施（如数据和语音通信）， 有令人兴奋的选择。 Cree的客户包括创新的照明灯具制造商和防务相关的联邦机构。Cree的产品线包括发光二极管芯片，用于照明的发光二极管，用于背光的发光二极管，电源开关设备以及用于无线电和无线电设备的发光二极管。 LED芯片：广泛用于业界最高亮度和效率最高的蓝色和绿色LED芯片。 LED灯： LED灯具用于字母显示，指示，建筑，个人便携和普通照明。 LED照明解决方案： LED灯用于商业和住宅家庭照明。 功率器件：电源用于电源，汽车驱动器，UPS不间断电源和混合动力电动汽车。 无线器件：微波晶体管器件用于电信和军事市场的放大器。 材料：半导体材料用于先进的电子和光电子器件。独特的材料技术和先进的氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）白光技术体现了Cree LED照明产品的优势。 它拥有1300多项美国专利，2900多项国际专利和389项中国专利（以上包括授权和待决专利）。 Cree继续在LED照明级器件的性能方面取得突破，在亮度，发光效率，寿命，散热性能和可靠性方面处于世界领先地位。目前，发光效率为160流明/瓦的XM-L产品已经达到量产。 2011年5月，该实验室的发光效率达到231流明/瓦，再次突破了技术限制，成为整个LED照明行业的里程碑。 美国“财富”杂志选择了15家将改变世界的公司，而Cree的UVR技术就是其中之一。 “财富”杂志认为，这些公司已经改变了各自领域的游戏规则，并可能破坏现有行业并带来新的机遇。

2015年9月，Cree宣布将分拆其Wolfspeed Power RF（电源和RF）部门并更名为Wolfspeed，并计划上市。 英飞凌表示，收购Wolfspeed将在短期内增加公司每股摊薄收益和利润率。 目前，英飞凌的毛利率约为55％，预计未来4年将保持20％的年均增长率。

图2.2.1 SCH2080KE引脚设置 图2.2.2 SCT2160KE引脚设置 图2.2.3 C2M0040120D引脚设置

以下分别列出三种型号的芯片一些基础数据进行比较，如表4.2。

表2.1 三种芯片型号比较

型号

Drain-source Voltage [V]

Drain-source On-state Resistance(Typ.) [mohm]

Drain Current [A]

Total Power Dissipation [W]

Junction Temperature(Max.) [℃]

Storage Temperature(Min.) [℃]

Turn-on delay time [ns]

Rise time [ns]

Turn-off delay time [ns]

Fall time [ns]

SCH2080KE

1200

80

40.0

262

175

-55

37

33

70

28

SCT2160KE

1200

160

22.0

165

175

-55

23

25

67

27

C2M0040120D

1200

40

60.0

330

150

55

15

52

26

34

由上表可知，三种芯片都是趋向于高耐压、低导通电阻、高速开关三个具体方向。 在Si材料中，电压电阻器件越高，每单位面积的导通电阻（耐电压值的比例约为2至2.5）越大。因此，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）主要用于600V以上的电压。IGBT通过电导调制将空穴注入漂移层作为少数载流子，因此导通电阻小于MOSFET的导通电阻。然而，与此同时，由于少数载流子的积累，在关断时产生尾电流，并且尾电流导致显着的开关损耗。 SiC功率器件的漂移层的电阻比 Si功率器件的漂移层的电阻低，并且可以实现高频器件结构的 MOSFET的高耐压和低阻抗， 而不在此外， MOSFET理论上不会产生尾电流。此外，还可以在绝缘栅双极型晶体管无法工作的高频率下驱动碳化硅MOSFET，从而实现无源器件的小型化。 与600V至900V的Si MOSFET相比，SiC MOSFET的优势在

于芯片面积小（可以实现小封装），体二极管的恢复损耗非常小。

根据表2.1所得数据，我们可知三种芯片在耐压相同，适应温度环境条件相差不大的条件下SCT2160KE和C2M0040120D两者的开通和关断时间相对较短，而SCH2080KE的开通和关断时间相对来说较长，因此对SCH2080KE放弃考虑，再对SCT2160KE和C2M0040120D两者进行比较。

两种MOSFET芯片对应的驱动芯片分别是Rohm公司的BM6103FV‐C以及IXYS公司的IXDN609SI，如图2.2.4所示。

(a) (b)

图2.2.4 (a)

Rohm公司BM6103FV‐C (b) IXYS公司IXDN609SI

表2.2 Rohm公司BM6103FV‐C的引脚设置

Pin NO.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Pin Name

VTSIN

VEE2

GND2

SCPIN

OUT2

VERG

VCC2

OUT1

VEE2

PROOUT

GND1

Function

Thermal detection pin

Output-side negative power supply pin

Output-side ground pin

Short current detection pin

MOS FET control pin for Miller Clamp

Power supply pin for driving MOS FET for Miller Clamp

Output-side positive power supply pin

Output pin

Output-side negative power supply pin

Soft turn-off pin

Input-side ground pin

12

13

14

15

16

17

18

19

20

表2.3 IXYS公司IXDN609SI的引脚设置

Pin Name

IN

EN

OUT

VCC

GND

NC

Description

Logic input

Output enable-drive pin low to disable output, and force output to a high impedance state

Output-sources or sinks current to turn-on or turn-off a discrete MOSFET or IGBT

Inverted output-sources or sinks current to turn-on or turn-off a discrete MOSFET or IGBT

Supply voltage-provides power to the device

Ground-common ground reference for the device

Not connected

NC

INB

FLTRLS

VCC1

FLT

INA

ENA

TEST

GND1

No connect

Invert/non-invert selection pin

Fault output holding time setting pin

Input-side power supply pin

Fault output pin

Control input pin

Input enabling signal input pin

Test mode setting pin

Input-side ground pin

两者相比较，IXYS公司的IXDN609SI的引脚数目只有Rohm公司的BM6103FV‐C的一半，且操作简便，反应时间短，整体性能前者优于后者；另外，将比较的重点放在了导通电阻上，根据MOSFET低导通电阻的要求可以比较得出C2M0040120D明显好于SCT2160KE，因此我们选用的是Cree公司Wolfspeed型号为C2M0040120D的MOSFET芯片。

2.3 C2M0040120D的驱动电路

之前我们在比较选择的过程中选择了型号为C2M0040120D的MOSFET芯片和

它的驱动芯片，产自IXYS公司的IXDN609SI，按照MOSFET芯片数据表提供的驱动电路，在理解的基础上做出相应的改动。驱动芯片提供的驱动电路如下图所示：

图2.3.1 C2M0040120D的驱动电路

由IXYS公司官方提供的电路可以分为两个部分——IXYS公司的IXDN609SI的驱动电路和利用IXDN609SI驱动C2M0040120D的电路。

图2.3.1显示了增强型栅极驱动器的新原理图。 该电路由两个隔离的DC-DC转换器（X2和X3），一个光隔离器（U1）和栅极驱动器集成电路（U2）组成。 这款集成电路Clare / IXYS IXDN609SI可提供35V输出摆幅和高达9A的电流，典型输出电阻为0.8Ω。 光隔离器Avago ACPL-4800-300E具有高共模瞬态抑制能力（30kV /μsec），并且可以从4.5V到20V。 如果需要，还包括一个输入滤波电容器（C4）。 电源由隔离的DC-DC转换器提供;一个用于正偏差，另一个用于负偏差。X2和X3都来自Recom RP系列1瓦未调节隔离式DC-DC转换器或Recom

RxxP2xx系列2瓦DC-DC转换器。 两种类型都可以适用。

这些转换器价格低廉，隔离电压额定值为5.2kV，隔离电容也非常低。在这个特定的配置中，在5V输出转换器中X2是12V，X3是12V输入以及+/- 12V输出转换器。 如图所示，转换器的输出是串联的，公共连接参考源。因此，VCC决定栅极脉冲正电压，-VEE决定负栅极脉冲电压。-VEE节点可以看作光隔离器和栅极驱动器的参考地。光隔离器的最大工作电压为20V，可能会大于VCC上出现的电压。 增加了由Q1和D1组成的射极跟随器钳位，以将光电隔离器的电压限制在17.3V标称值。如果射极跟随器需要额外的衰减，它包括一个基极电阻（R16）。 实际上，零欧姆电阻工作正常。 可以填充电阻器R2，R4，R5，R9-R15和二极管D2以提供最佳的导通和关断性能。 在这种情况下，只有R2，R4和R5装有20欧姆1/3瓦的电阻。 为了尽量减少杂散电感，电容 C8- C10的位置非常靠近源极输出引脚和栅极驱动器， 以便在源极输出端子和- VEE节点之间提供非常紧密的耦合。

栅极驱动器的操作如下。在opto上施加+10至+ 12V脉冲，使门极端变为高电平。这个电路的目的是提供最大的灵活性。因此，使用了未经调节的DC-DC转换器，以便可以在地电平调节输出栅极脉冲的正电压和负电压电平。通过改变VCC HIGH和VCC HIGH RTN之间的电压来调节栅极电压正电平，并通过改变VCC LOW和VCC LOW RTN引脚之间的电压来调节负脉冲电平。该过程是观察输出带有示波

器的栅极驱动器板，并调整VCC高电平和VCC低电平输入电压，直到栅极脉冲设置为所需的值。在调整过程中必须小心，以确保VCC和-VEE节点之间的电压不超过U2的最大额定值35V。

在对此驱动电路理解的基础上我们认为可以对电路进行修改以去除隔离式DC-DC转换器，以便直接将VCC电源和-VEE直接连接至外部电源。这是通过移除转换器并用跳线替换它们来完成的。图2.3.2显示了此更改的示意图。同时注意，X2和X3已被移除并换成显示为深蓝色网状的跳线。

图2.3.2 C2M0040120D更改后的驱动电路

此外请注意，如图2.3.3所示，通过不填充负栅极偏置DC / DC转换器，也可以将栅极驱动器配置为无负栅极偏置。注意，DC-DC转换器X3未被填充，并且跳线放置如图所示深蓝色的网。

图2.3.3 C2M0040120D更改后的驱动电路

在这种设计中使用了非调节型DC-DC转换器，可以方便地调节地电平的高低门脉冲幅度。 VCC高电平输入设置为高电平，VCC低电平输入设置为低电平。程序是用示波器观察门极驱动器板的输出，并调整VCC高电平和VCC低电平，直到输出脉冲高电平和低电平被设置为所需的值。

经过对公司官方提供的驱动电路的理解与补充，一共产生了三种驱动电路，三者差别并不大，因此在进行电路搭建的时候随机选择一种即可，而在搭建过程中需要用到的各项元器件及其数目则罗列如下（三个驱动电路原理图中以第一个所耗元器件最多，所以以第一个）。

表2.4 所需要购买的元器件

Item Quant. Ref. Des.

1 3

Value Description Manufacturer Manufacturer P/N

06033D105MAT2A C1,C2,C3 1U Capacitor, Ceramic AVX

1UF 25V X5R

0603

Capacitor, Ceramic -

4.7U 0805

Capacitor, Ceramic Kemet

100n 50V X7R

0805

2

3

1

2

C4

C5,C6

4.7U

100N

-

C0805C104K5RACTU

4 1 C7 4.7U Capacitor, Ceramic Kemet

4.7UF 50V X5R

1206

Capacitor, Ceramic Kemet

10n 50V NP0 1210

Capacitor, Ceramic Kemet

100n 50V X7R

1206

Capacitor, Ceramic Kemet

10UF 16V X5R

1210

Diodes Inc.

C1206C475K5PACTU

5

6

1

1

C8

C9

10N

100N

C1210C103J5GACTU

C1206C104K5RACTU

7 1 C10 10U C1210C106K4PACTU

8 1 D1 MMSZ5248B- DIODE ZENER

7-F 18V 500MW

SOD-123

MMSZ5243BS DIODE ZENER

13V 200MW

SOD-123

HEADER 3 3 Pins Cut to

length

6 Pins Cut to

length

Transistor, NPN

General Purpose,

40V SOT-23

MMSZ5248B-7-F

9 1 D2 Diodes Inc. MMSZ5243BS

10 2 JP1,JP2 Sullins

Connector

Solutions

Sullins

Connector

Solutions

Diodes Inc.

PBC36SAAN

11 1 J2 HEADER 6 PBC36SAAN

12 1 Q1 DXT2222A DXT2222A-13

13

14

15

16

17

18

19

20

1

3

7

2

2

1

1

1

R1 10K Resistor, 10k 1/8W Vishay/Dale

5% 0805

Resistor, 20 Ohm

1/3W 5% 1210

Resistor, 20 Ohm

1/3W 5% 1210

Resistor, 620 Ohm

1/8W 5% 0805

Resistor, 47k

1/10W 5% 0603

Vishay/Dale

-

Vishay/Dale

Vishay/Dale

CRCW080510K0JNEA

CRCW121020R0JNEA

-

CRCW0805620RJNEA

CRCW060347K0JNEA

CRCW08050000Z0EA

ACPL-4800-300E

IXDN609SI

R2,R4,R5 20

R9-R15

R3,R6

R7,R8

R16

U1

U2

20

620

47K

0

ACPL-4800-

300E

IXDN609SI

Resistor, 10k 1/8W Vishay/Dale

5% 0805

Opto-Isolator

Gate Driver

Non-Inverting

Avago

IXYS

21 1 X2 RP-1205S DC/DC Converter,

1W 12V in 5V

out

DC/DC Converter,

1W 12V in +/-12V

out

Recom RP-1205S

22 1 X3 RP-1212D Recom RP-1212D

23 1 - - ISOLATED GATE Cree

DRIVER REV5

PCB

-

注：表中第2项和第15项在实验室中有成品，故不需要购买。

第三章 双向开关结构的研究

3.1 双向开关的结构

在目前的研究中，通常使用分离的电力电子器件来实现双向开关，共有三种构成方式：二极管桥式、共集电极式和共射极式，另外还可以采用新型器件逆阻式IGBT反并联构成双向开关，如图所示。

（a）

(b)

（c）

（d）

图3.1.1 双向开关构成

a） 二极管桥式结构 b）普通SiC MOSFET共源极式结构

c）普通SiC MOSFET共漏极式结构 d）逆阻式反并联结构

图3.1.1（a）所示的二极管电桥双向开关由一个中间的普通SiC MOSFET和4个快速恢复二极管组成。 这种配置的主要优点是每个双向开关仅包含一个开关器件，并且构造双向开关和由双向开关形成的其他功率电子器件所需的SiC

MOSFET的数量很小。 电路的成本可以降低，但是由于在电流流动期间需要经过三个开关器件，所以该开关配置也具有严重的缺点。不可避免地，开关装置的损耗增加，并且该双向开关中的电流方向极难控制。因此，在实际的双向开关开发中很少使用二极管电桥。

常见的SiC MOSFET共源双向开关由两个带反并联快速恢复二极管的SiC

MOSFET组成，如图3.1.1（b）所示。两个SiC MOSFET的源极连接在一起，两个漏极分别连接在输入侧和输出侧。因为普通的SiC MOSFET不能承受较大的反向电压，所以两个快速恢复二极管会阻断每个双向开关的反向电压。与二极管桥结构相比，这种组装方法具有两个显着的优点： 一是可以独立控制电流方向；其次，由于电流仅通过两个开关器件，所以开关器件的传导损耗也降低。 但是，这种双向开关也有其缺点。 在双向开关的构建以及由双向开关构建矩阵变换器或者多电平逆变器等电力电子器件时也会造成电路成本的增高。

相对于前两种构成方式，常见的 SiC MOSFET共漏双向开关（见图2-3 c）不仅具有器件导通损耗小，电流方向控制简单等优点，它还减少了驱动电路的隔离电源数量，因为三个发射极连接的 SiC MOSFET可以共享驱动信号的隔离电源。因此，整个矩阵转换器只需要6个隔离电源。 因此，这种双向开关的结构也被广泛使用。

近年来，具有承受大的反向电压的能力的新型电力电子装置 - 反向IGBT（RB-IGBT）越来越多地应用于各种电力转换器中。 其中，矩阵变换器是最重要的一个方向[1-4]。RB-IGBT的出现完美解决了普通IGBT不能反向截止的问题，使得双向开关结构可以简化直至简单的反并联结构。每个双向开关都有两个快速恢复二极管被省略，正如图2-3d所示，具有相同的公共集电极结构。使用电阻

式IGBT双向开关的矩阵转换器也只需要六个隔离电源。尽管单个逆阻IGBT的功率损耗略高于普通IGBT，但根据测试，它由一个反向电阻IGBT组成。双向开关的总功率损耗明显小于由普通SiC MOSFET组成的双向开关。 因此，使用电阻式IGBT作为开关器件是降低开关损耗，节省成本并简化系统结构的好选择。

3.2双向开关电路的保护技术

3.2.1器件级的保护

由于双向开关器件本身使用以及构成矩阵变换器和多电瓶逆变器等电力电子器件的过程中大多数工作于高频开关状态，开关过程中器件的电压和电流变化率很大，容易引起器件的过压和过流。 同时也造成了其开关损耗的增加。 因此，对每个开关器件均采用吸收电路加以保护，是保证开关器件以及系统安全运行的重要环节。 考虑到成本以及利用双向开关器件构建系统时的复杂性问题，我们选择对开关器件进行最有效同时也最为简单的保护措施。 主要考虑的问题是过电压对主电路器件可能造成的危害，所以采用的保护方式是如图3.2.1所示的 C型吸收电路， 即在每个双向开关的两端并联吸收电容，通过这种方式来实现器件级的保护。 其中吸收电容的电容量大小可以根据实验方法确定，也可以由母线电感计算来获取。

图3.2.1 带有吸收电容的双向开关

3.2.2驱动级的保护

驱动级的保护是在SiC MOSFET的驱动电路中加入过电流保护功能，当运行过程中，SiC MOSFET发生过电流是，降低门极驱动电压或施加关断电压，以确保开关器件不受损害。

3.2.2.1设计驱动保护电路的依据

理论上，SiC MOSFET的保护电路应按照其安全工作区（Safe Operational

Area, SOA）的参数来设计，在保证器件安全工作的前提下，尽可能避免保护动作。SiC MOSFET的安全工作区通常如图所示。

图3.2.2 SiC MOSFET安全工作区

有四种限制SiC MOSFET的漏极电流幅值与关断延迟时间的条件：一般性过电流(如电机过载)时间过长导致器件结温升高，开关器件在经过一段延时后必须关断，以避免过热损坏；漏极电流变化率过高将导致模块内部不同SiC MOSFET中流过幅值相差很大的电流(各个SiC MOSFET中的电流密度不均)，而流过较大电流的SiC MOSFET有可能过热损坏;短路时SiC MOSFET工作于退饱和区，其漏极电流幅值由栅电压

和跨导

决定，而SiC MOSFET在短路状态下能维持的时间由其功率损耗和散热效率决定；SiC MOSFET中所能流过的漏极电流的最大值由跨导

决定。

3.2.2.2 SiC MOSFET驱动保护电路方案概述

SiC MOSFET漏极电流检测方法

判断SiC MOSFET是否出现过电流，首先需要解决的问题是快速准确地检测SiC MOSFET的漏极电流幅值。目前普通SiC MOSFET漏极电流检测方法主要有三种：串联电阻检测法、采用电流霍尔传感器或电流互感器检测法以及器件漏-源电压检测法。这三种方法各有优缺点，分析如下。

串联电阻检测法是在SiC MOSFET源极串入一个精密电阻，通过检测该电阻上的压降即可获得准确的漏极电流幅值信息。该方法检测精度高，但没有实现电气隔离，而且电阻上的损耗也降低了主电路的工作效率。

采用电流霍尔传感器或电流互感器解决了电气隔离问题，且检测信号延时很小，但电流霍尔传感器成本比较高昂，并且它的体积大，重量也大，不利于提高变换器的功率密度。电流互感器也存在体积、重量的问题，但最根本的问题是其低频特性不好，低频信号畸变较大，不利于检测含直流成分的电流波形。

检测SiC MOSFET漏-源电压的方法目前使用最为广泛，现在以图3.2.3为例进行说明。当SiC MOSFET处于关断状态时，快恢复二极管

承受反向电压并切断。当SiC MOSFET导通时，恒定电流270 通过

流入SiC MOSFET漏极，如果忽略

上的压降，可认为此时驱动芯片内部比较器正向输入端电压等于SiC MOSFET的漏-源电压。该电压与一个参考电压进行比较，发生短路故障时，漏-源电压上升，使该比较器发出保护动作信号。该检测方法简单易行，但是也存在需要隔离的问题。与前面两种方法相比，电流检测的准确性较差。

图3.2.3 SiC MOSFET漏极电流的漏-源检测法

3.3 驱动保护电路

根据双向开关结构设计以及双向开关电力保护技术的相关研究，可以确定驱动保护电路如图。

图3.3.1 驱动保护电路

3.4 双向开关电路的实际设计

电路设计如图所示

参考文献

[1] 黄京才,白朝辉. 碳化硅器件发展概述[J]. 山西电子技术,2011(3):90-91,96.

[2] 张波,邓小川,张有润等. 宽禁带半导体Si C 功率器件发展现状及展望[J]. 中国电子科学研究院学报,2009(2):111-118.

[3] 王光,高寅生. 平面结构 4H-Si C BJT 击穿特性及终端技术研究[J]. 电子器件,2015,38

(5):972 -975.

[4] 张波,邓小川,陈万军,李肇基.宽禁带功率半导体器件技术[J].电子科技大学学报,2009,38(05):618-623.

[5] Jose Millan , Philippe godignon, Xavier Perpina, Amador Perez—Tomas and Jose Rebollo. A

Survey of Wide Bandgap Power Semiconductor Devices [J]．IEEE Transaction on Power

Electronics, 2014, 29(5):2155-2163．

[6] 王雪梅．宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用[J]．中国电机工程学报，2014，34（3）：371-379.

[7] 陈永真，陈之勃．高压碳化硅MOSFET特性分析[C]．中国电源学会第二十届学术年会，2013：112-116．

[8] Ruff, Martin (Siemens AG, Muenich, Germany); Mitlehner, Heinz; Helbig, Reinhard Source:

IEEE Transactions on Electron Devices, v 41, n 6, p 1040-1054, Jun 1994.

[9] 钱照明,张军明,盛况.电力电子器件及其应用的现状和发展[J].中国电机工程学报,2014,34(29):5149-5161.

[10] Fu, Ruiyun (Mercer University, Macon; GA, United States); Santi, Enrico; Zhang, Yucheng

Source: 9th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia: "Green World with

Power Electronics", ICPE 2015-ECCE Asia, p190-195, July 27, 2015, 9th International

Conference on Power Electronics - ECCE Asia: "Green World with Power Electronics",

ICPE 2015-ECCE Asia

[11] Kampitsis, Georgios (National Technical University of Athens, Electric Power Division, 9

Iroon Polytechniou St.,Zografos, Greece); Antivachis, Michail; Kokosis, Sotirios;

Papathanassiou, Stavros; Manias, Stefanos Source:Conference Proceedings - IEEE Applied

Power Electronics Conference and Exposition - APEC, v 2015-May, n May, p1058-1064,

May 8, 2015, APEC 2015 - 30th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and

Exposition.

[12] Xu, Yanming (Beijing Jiaotong University, Beijing, China); Li, Hong; Zheng, Trillion Q;

Zhao, Bo; Zhou, Zhe Source:2015 IEEE 2nd International Future Energy Electronics

Conference, IFEEC 2015, December 18, 2015, 2015 IEEE 2nd International Future Energy

Electronics Conference, IFEEC 2015

[13] Sun, Kai (State Key Lab. of Power Systems, Department of Electrical Engineering, Tsinghua

University, Haidian District, Beijing 100084, China); Lu, Juejing; Wu, Hongfei; Xing, Yan;

Huang, Lipei Source: Zhongguo Dianji Gongcheng Xuebao/Proceedings of the Chinese

Society of Electrical Engineering, v 33, n 3, p 37-43, January 25, 2013

[14] Pittini, Riccardo (Technical University of Denmark, Dept. of Electrical Engineering, Oersteds

Plads 349, Kgs, Lyngby, Denmark); Zhang, Zhe; Andersen, Michael A.E. Source: 2013 IEEE

ECCE Asia Downunder - 5th IEEE Annual International Energy Conversion Congress and

Exhibition, IEEE ECCE Asia 2013, p 233-239, 2013, 2013 IEEE ECCE Asia Downunder -

5th IEEE Annual International Energy Conversion Congress and Exhibition, IEEE ECCE

Asia 2013

[15] Funaki, T. (Kyoto University, Graduate School of Eng., Dept. of Electrical Engineering,

Katsura, Kyoto, 615-8510, Japan); Kashyap, A.S.; Mantooth, H.A.; Balda, J.C.; Barlow, F.D.;

Kimoto, T.; Hikihara, T. Source: PESC Record -IEEE Annual Power Electronics Specialists

Conference, 2006, 37th IEEE Power Electronics Specialists Conference 2006, PESC'06

[16] Norling, Karl (Infineon Technologies AG, Villach, Austria); Lindholm, Christian; Draxelmayr,

Dieter Source: IEEE Journal of Solid-State Circuits, v 47, n 12, p 3095-3104, 2012

[17] Alonso, Alberto Rodriguez (Grupo de Sistemas Electr´onicos de Alimentación, Universidad

de Oviedo, 33204 Gij´on, Spain); Diaz, Marcos Fernandez; Lamar, Diego. G.; De Azpeitia,

Manuel Arias Perez; Hernando, Marta M.; Sebastian, Javier Source: IEEE Transactions on

Power Electronics, v 29, n 5, p 2428-2440, May 2014

[18] Hazra, Samir (NSF FREEDM Systems Center, North Carolina State University, Raleigh; NC,

United States); De, Ankan; Cheng, Lin; Palmour, John; Schupbach, Marcelo; Hull, Brett A.;

Allen, Scott; Bhattacharya, Subhashish Source: IEEE Transactions on Power Electronics, v

31, n 7, p 4742-4754, July 2016

[19] Vechalapu, Kasunaidu (Department of Electrical and Computer Engineering, North Carolina

State University, Raleigh, United States); Negi, Abhay; Bhattacharya, Subhashish Source:

ECCE 2016 - IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Proceedings, 2016, ECCE

2016 - IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Proceedings

[20] Huang, Xing (Future Renewable Electric Energy Delivery and Management Systems Center,

North Carolina State University, Raleigh, NC, United States); Wang, Gangyao; Li,

Yingshuang; Huang, Alex Q.; Baliga, B. Jayant Source: Conference Proceedings - IEEE

Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC, p 197-200, 2013, 2013 28th

Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2013