碳化硅模块（SiC模块/MODULE）大电流下的驱动器研究
发布时间：2024-5-10 09:29
发布者：Eways-SiC
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由于碳化硅（SiC）MOSFET具有高频、低损耗、高耐温特性，在提升新能源汽车逆变器效率和功率密度方面具有巨大优势。对于SiC MOSFET功率模块，研究大电流下的短路保护问题、高开关速度引起的驱动振荡问题尤为重要。针对这些问题，设计了大电流下SiC MOSFET功率模块的驱动器，包括电源电路、功率放大电路、短路保护电路、有源米勒钳位电路和温度检测电路。在分析了驱动振荡机理后，通过有限元软件提取了驱动回路的寄生电感，优化驱动回路布局，使得开通与关断回路杂散电感分别降低到 6.50 nH和 5.09 nH。最后，以Cree公司的1 200 V/400 A CAB400M12XM3功率模块为测试对象，利用双脉冲实验验证了所设计驱动电路的合理性及短路保护电路的可靠性，对于800 A的短路电流，可以在1.640 μs内实现快速短路保护。 (碳化硅功率模块（SiC MODULE）大电流下的驱动器研究https://pan.baidu.com/s/1uvdZogcAa28cFXC0hyoBXA提取码cwrk) 随着电力电子技术的发展，高耐压、高效率、高结温已成为电力电子器件技术的发展趋势[1]。与传统的 IGBT 相比，第三代宽禁带半导体器件SiC MOSFET 在高开关速度、高耐压、低损耗等方 面具有优势，已成为近年来新的研究热点。电动汽车要求电驱动系统具有高功率密度、高效率、高工作温度以及高可靠性，SiC MOSFET 在电驱动系统中的优势与潜力，为电动汽车小型化、轻量化的发展注入了新的动力[3-4]。然而，SiC MOSFET 的高频、高速开关速度特性，使其对驱动回路与功率回路的寄生参数敏感度增大，在开关过程中更易产生电压电流的过冲和振铃，引发电磁干扰问题，也会导致桥臂串扰和驱动振荡问题，严重威胁电驱动系统的安全[5-6]。文献[7]设计了 SiC MOSFET 的驱动电路，通过在器件栅极和源极两端并联电容，减慢开关速度，在牺牲效率的情况下，避免了桥臂串扰引起的驱动振荡问题。但是该研究只是针对电流等级比较小的单管 SiC MOSFET 设计的驱动电路，而随着电流等级的增加，桥臂串扰、驱动振荡以及短路保护问题会变得严峻，有必要对大功率SiC功率模块的可靠驱动进行研究。文献[8]设计了一种 SiC MOSFET 快速保护电路，利用分流器检测法检测短路电流，虽然可以实现快速保护，但是串联的电阻会增加损耗。文献[9]采用分立器件搭建了一种 SiC MOSFET 高温驱动电路，高温驱动下效果较好，但是分立器件增加成本的同时也增加了故障率。文献[10]设计了一种栅极有源钳位电路来抑制桥臂串扰问题，但是实验验证使用的 SiC MOSFET 仍然为小功率的单管器件，对于在大功率SiC功率模块中的实际应用效果没有进行实验验证。本文针对大电流 SiC MOSFET功率模块的驱动与保护问题，设计了一款驱动器。采用高可靠性、高抗扰性能的电源及驱动芯片设计驱动电路，增加共模电感提高驱动电路抗扰性能，设计短路保护电路实现对大电流短路故障的快速响应。通过对 SiC MOSFET 驱动振荡机理的分析，指出优化驱动回路PCB走线布局，减小驱动回路寄生电感是抑制振荡的有效途径。利用 AnsysQ3D Extractor 软件提取驱动回路寄生电感，进而优化驱动电路布局。最后，通过双脉冲实验验证驱动电路设计的合理性，通过短路保护实验验证短路保护的快速性和可靠性。 1 驱动及保护电路设计 SiC器件的高频和高开关速度特性会带来一些特殊问题。例如，高开关速度引起的高dv/dt和di/dt会产生较大干扰，这些干扰很容易串入驱动回路，使驱动信号受到干扰。因此SiC MOSFET驱动 电路设计的着力点在于增强可靠性和抗干扰能力。1.1 电源电路设计为了保证功率器件可靠关断，抑制桥臂串扰引起的误开通问题，SiC MOSFET需要采用负压关断。采用高可靠性隔离电源模块 MGJ2D121505SC将+12 V 的输入电压转换为+15 V和-5 V。MGJ2系列 DC-DC 转换器具有很高的隔离度和抗干扰性能，超低的耦合电容可以抑制干扰的影响。 |
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