一种SIC-MOSFET的负压驱动电路的设计

一种SICMOSFET的负压驱动电路的设计宽禁带半导体功率器件SICMOSFET与SIMOSFET在特定的工作条件下会表现出不同的特性，其中重要的一环是SICMOSFET在长期的门极电应力下会产生阈值电压Vgs漂移现象。本文提出一种新型的SICMOSFET的驱动电路，对SICMOSFET通过负压进行关断来限制SICMOSFET阈值漂移现象，通过实验验证该电路具备有效性。标签：SICMOSFET阈值漂移驱动电路1Vgs漂移现象及器影响由于宽禁带半导体SIC材料的固有特性，以及不同于SI材料的半导体氧化界面特性，会引起阈值电压变化以及漂移现象。SICMOSFET产生阈值偏移的主要影响包括以下两个方面：1.增加导通损耗，降低使用寿命SICMOSFET的阈值漂移主要的影响是会增加Rdson。同时Rdson的增加会导致开关器件的导通损耗增加，进而升高结温。额外结温的增加是否需要取决于实际的运行工况，在某些特定的条件下，额外的结温会给整个系统带来较大风险。2.增加误导通风险在某些条件下SICMOSFET的门极阈值电压可能会偏移降至2V及以下，驱动电路的一点扰动则可能会导致开关器件的导通造成系统的损坏。2Vgs漂移现象产生的原因在SICMOSFET的运行过程中，产生门极阈值电压漂移的原因主要是以下几个方面：1.静态门极偏移静態门极偏移受到SIC半导体材料本身特性以及生产工艺的影响，会导致门极阈值出现漂移现象。同时，针对SI器件的阈值标准测试流程并不适用于SIC材料，需要使用一种新的测试方法用于评估SICMOSFET的特性。2.运行工况SICMOSFET的阈值电压也会因为器件的开关运行的工况额产生额外的漂移，此额外的漂移只能通过长期的开关测试才能被观测到。影响阈值漂移的参数主要包括器件的开关次数和驱动电压。SICMOSFET驱动电路驱动电路的性能直接影响大功率SiCMOSFET的开关行为和通态特性，驱动电路方案与参数的选择必须与器件的特性相匹配，才能保证器件安全、可靠、高效地运行。栅极驱动条件密切地关系到器件的静态特性和动态特性，包括栅极的正负栅压和栅极电阻等，对SiCMOSFET的导通电阻、开关时间、开关损耗、短路承受能力、di/dt以及dv/dt等都有不同程度的影响，本文提出一种新型的负压SICMOSFET驱动电路，能有效解决SICMOSFET的阈值电压漂移问题。图1为本文设计的高效可靠的隔离驱动电路，隔离驱动电源采用金升阳SIC专用驱动电源可提供+15V/-5V的正负驱动电压，驱动IC采用英飞凌公司的SICMOSFET专用驱动芯片，可输出高达10A的峰值驱动电流。驱动电路实现了控制电路与功率电路之间的电气隔离，提高了电路系统的可靠性和抗干扰能力。图234为驱动器占空比D分别为50%，80%，30%的实测波形，驱动器采用-5V/+18V的驱动电压，驱动电阻Rg为5Ω。结论SIC材料作为新型宽禁带半导体材料，其性能与常规的SI材料相比不但击穿电场强度高，热稳定好，还具有载流子饱和漂移速度高，热导率高等优势。同时，由于SIC材料本身的特性，会存在门极阈值电压偏移的问题，本文提出的一种新型负压驱动电路。通过实验验证，该驱动电路能对SICMOSFET进行负压关断，保障系统运行的可靠性。参考文献[1]宁圃奇，李磊，温旭辉，等.SiCMOSFET和SiIGBT的结温特性及结温监测方法研究[J].大功率变流技术，2016（5）：65-70.[2]碳化硅SiC元件2023年产业规模达14亿美元[J].半导体信息，2018（04）：31-32.[3]刘皓.有轨电车全SiC辅助变流器设计与研究[D].2018[4]曾正，邵伟华，胡博容，陈昊，廖兴林，陈文锁，李辉，冉立.SiC器件在光伏逆变器中的应用与挑战[J].中国电机工程学报，2017，37（01）：221-233.[5]国内首条SiC智能功率模块生产线在厦门正式投产[J].半导体信息，2018（05）：34-36.[6]KrausR，CastellazziA.APhysics-BasedCompact