《電子技術應用》
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基于碳化硅MOSFET半橋驅動及保護電路設計
電子技術應用
鄭高銘,孫峰,李歡,胡雅婷,劉京,劉羽捷
中國振華集團永光電子有限公司
摘要: 針對碳化硅MOSFET驅動電路設計難度較大、門極易受串擾、保護功能不齊全以及全國產化的問題,基于國產芯片設計了一款碳化硅MOSFET半橋驅動及保護電路。重點分析總結了碳化硅MOSFET有源米勒鉗位保護、退飽和保護以及橋臂互鎖保護原理與模型。在隔離原邊信號與副邊信號的同時,采用18 V/-3.3 V的高低電平,實現對上、下橋臂碳化硅MOSFET的控制,同時集成了欠壓鎖定、退飽和保護、橋臂互鎖、有源米勒鉗位保護的功能。與國際先進水平Wolf Speed的碳化硅MOSFET驅動板CGD1200HB2P-BM2進行了參數對比和功能測試。實驗結果表明,該電路開關參數與CGD1200HB2P-BM2驅動板相近,滿足碳化硅MOSFET驅動需求,并能可靠觸發保護功能。電路已實際應用于碳化硅MOSFET的驅動中。
中圖分類號:TN386 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245707
中文引用格式: 鄭高銘,孫峰,李歡,等. 基于碳化硅MOSFET半橋驅動及保護電路設計[J]. 電子技術應用,2025,51(3):90-97.
英文引用格式: Zheng Gaoming,Sun Feng,Li Huan,et al. Design of SiC MOSFET half-bridge driver and protection circuit[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(3):90-97.
Design of SiC MOSFET half-bridge driver and protection circuit
Zheng Gaoming,Sun Feng,Li Huan,Hu Yating,Liu Jing,Liu Yujie
China Zhenhua Group Yongguang Electronics Co., Ltd.
Abstract: In response to the challenges in designing silicon carbide (SiC) MOSFET driving circuits, such as high difficulty in design, susceptibility to crosstalk, incomplete protective functions, and the issue of full domestic production, a half-bridge driving and protection circuit for silicon carbide MOSFETs has been designed based on domestic chips. This paper focuses on analyzing and summarizing the principles and models of active Miller clamp protection, desaturation protection, and bridge arm interlock protection for silicon carbide MOSFETs. The driving circuit not only isolates the primary and secondary signals but also uses high and low levels of 18 V/-3.3 V to control the upper and lower bridge arm silicon carbide MOSFETs. It integrates functions such as undervoltage lockout, desaturation protection, bridge arm interlock, and active Miller clamp protection. The parameter comparison and function test were carried out with the international advanced level of Wolf Speed's silicon carbide MOSFET driver board CGD1200HB2P-BM2. The experimental results show that the switching parameters of the circuit are similar to CGD1200HB2P-BM2 driver board, which can meet the driving requirements of silicon carbide MOSFET and can trigger the protection function reliably. This circuit has been applied to drive silicon carbide MOSFET.
Key words : silicon carbide MOSFET;drive circuit;active Miller clamping;desaturation protection

引言

碳化硅MOSFET作為第三代半導體代表產品之一,以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗、通流能力強、導通電阻小等性能[1,2]被廣泛應用于新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域[3]。碳化硅MOSFET對驅動電路要求較高,一方面體現在驅動電壓與驅動速度上,另一方面要求驅動電路能監測到碳化硅MOSFET工作異常情況,并及時進行保護[4,5]。碳化硅MOSFET由于其開通閾值較低,并且其較快的開關速度,導致dv/dt較大,容易引起串擾導致誤開啟,進一步造成上、下橋臂直通,因此需要有源米勒鉗位保護[6,7],抑制串擾對電路的影響。此外,驅動電路還需要橋臂互鎖保護、退飽和保護[8,9]、欠壓鎖定[10]等保護功能。

而碳化硅MOSFET驅動電路核心為碳化硅MOSFET驅動芯片。表1為國內外碳化硅MOSFET驅動芯片對比情況。

表1 國內外碳化硅MOSFET驅動芯片對比情況

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基于表1調研的驅動廠家與芯片來看,國外驅動芯片的Sink/Source電流能力集中在10 A左右,最大為20 A,而國內驅動芯片也基本可達到10 A;對于碳化硅MOSFET驅動芯片,一般要求共模抗干擾度CMTI≥100 V/ns,國外驅動芯片滿足此要求,英飛凌的1ED3321MC12N可達300 V/ns,而國內驅動芯片也可滿足要求;在傳播延時方面,國外芯片在75~150 ns,國內驅動芯片在50~70 ns,優于國外驅動;此外,國外驅動芯片集成了退飽和保護、有源米勒鉗位、欠壓鎖定、上拉/下拉獨立可控等保護功能;而國內青銅劍、瞻芯、華大半導體廠商的保護功能均不完善,納芯微的NSI6611保護功能可滿足要求。此外,對于芯片的電壓隔離,國外集中在2 500 V~5 700 V,而國內集中在3 700 V~5 700 V。

不論是碳化硅MOSFET還是驅動芯片,國內目前絕大部分公司都是選用國外產品,一部分原因是不了解國內的公司有碳化硅MOSFET驅動芯片,另一部分原因是不認可國內產品的性能。設計一款全國產化的碳化硅MOSFET驅動電路,將碳化硅MOSFET更好地運用到工業中是亟需解決的事情。

為滿足碳化硅MOSFET驅動電路全國產化需求,本文針對碳化硅MOSFET驅動及保護問題,建立了保護電路的模型并做了詳細分析,基于納芯微電子NSI6611驅動集成芯片提出了全國產化方案,為需要運用碳化硅MOSFET的工程師提供電路參考。

為驗證本驅動電路的性能,選取了國際領先水平的Wolf Speed公司所研制的碳化硅MOSFET驅動板CGD1200HB2P-BM2(所用驅動芯片為ADI公司的ADUM4146)進行波形分析、參數比對、驗證保護功能是否可靠觸發測試。實驗結果表明,該電路開關參數與CGD1200HB2P-BM2驅動板相近,滿足碳化硅MOSFET驅動需求,并能可靠觸發保護功能。


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作者信息:

鄭高銘,孫峰,李歡,胡雅婷,劉京,劉羽捷

(中國振華集團永光電子有限公司,貴州 貴陽550018)


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