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基于碳化硅MOSFET半橋驅(qū)動及保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電子技術(shù)應(yīng)用

鄭高銘，孫峰，李歡，胡雅婷，劉京，劉羽捷

中國振華集團(tuán)永光電子有限公司

摘要： 針對碳化硅MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計(jì)難度較大、門極易受串?dāng)_、保護(hù)功能不齊全以及全國產(chǎn)化的問題，基于國產(chǎn)芯片設(shè)計(jì)了一款碳化硅MOSFET半橋驅(qū)動及保護(hù)電路。重點(diǎn)分析總結(jié)了碳化硅MOSFET有源米勒鉗位保護(hù)、退飽和保護(hù)以及橋臂互鎖保護(hù)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(shí)現(xiàn)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(hù)、橋臂互鎖、有源米勒鉗位保護(hù)的功能。與國際先進(jìn)水平Wolf Speed的碳化硅MOSFET驅(qū)動板CGD1200HB2P-BM2進(jìn)行了參數(shù)對比和功能測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路開關(guān)參數(shù)與CGD1200HB2P-BM2驅(qū)動板相近，滿足碳化硅MOSFET驅(qū)動需求，并能可靠觸發(fā)保護(hù)功能。電路已實(shí)際應(yīng)用于碳化硅MOSFET的驅(qū)動中。

關(guān)鍵詞： 碳化硅MOSFET 驅(qū)動電路有源米勒鉗位退飽和保護(hù)

中圖分類號：TN386 文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)動及保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)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(dǎo)體代表產(chǎn)品之一，以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗、通流能力強(qiáng)、導(dǎo)通電阻小等性能[1,2]被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域[3]。碳化硅MOSFET對驅(qū)動電路要求較高，一方面體現(xiàn)在驅(qū)動電壓與驅(qū)動速度上，另一方面要求驅(qū)動電路能監(jiān)測到碳化硅MOSFET工作異常情況，并及時進(jìn)行保護(hù)[4,5]。碳化硅MOSFET由于其開通閾值較低，并且其較快的開關(guān)速度，導(dǎo)致dv/dt較大，容易引起串?dāng)_導(dǎo)致誤開啟，進(jìn)一步造成上、下橋臂直通，因此需要有源米勒鉗位保護(hù)[6,7]，抑制串?dāng)_對電路的影響。此外，驅(qū)動電路還需要橋臂互鎖保護(hù)、退飽和保護(hù)[8,9]、欠壓鎖定[10]等保護(hù)功能。

而碳化硅MOSFET驅(qū)動電路核心為碳化硅MOSFET驅(qū)動芯片。表1為國內(nèi)外碳化硅MOSFET驅(qū)動芯片對比情況。

表1　國內(nèi)外碳化硅MOSFET驅(qū)動芯片對比情況

基于表1調(diào)研的驅(qū)動廠家與芯片來看，國外驅(qū)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(nèi)驅(qū)動芯片也基本可達(dá)到10 A；對于碳化硅MOSFET驅(qū)動芯片，一般要求共?？垢蓴_度CMTI≥100 V/ns，國外驅(qū)動芯片滿足此要求，英飛凌的1ED3321MC12N可達(dá)300 V/ns，而國內(nèi)驅(qū)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(nèi)驅(qū)動芯片在50~70 ns，優(yōu)于國外驅(qū)動；此外，國外驅(qū)動芯片集成了退飽和保護(hù)、有源米勒鉗位、欠壓鎖定、上拉/下拉獨(dú)立可控等保護(hù)功能；而國內(nèi)青銅劍、瞻芯、華大半導(dǎo)體廠商的保護(hù)功能均不完善，納芯微的NSI6611保護(hù)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(nèi)集中在3 700 V~5 700 V。

不論是碳化硅MOSFET還是驅(qū)動芯片，國內(nèi)目前絕大部分公司都是選用國外產(chǎn)品，一部分原因是不了解國內(nèi)的公司有碳化硅MOSFET驅(qū)動芯片，另一部分原因是不認(rèn)可國內(nèi)產(chǎn)品的性能。設(shè)計(jì)一款全國產(chǎn)化的碳化硅MOSFET驅(qū)動電路，將碳化硅MOSFET更好地運(yùn)用到工業(yè)中是亟需解決的事情。

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

為驗(yàn)證本驅(qū)動電路的性能，選取了國際領(lǐng)先水平的Wolf Speed公司所研制的碳化硅MOSFET驅(qū)動板CGD1200HB2P-BM2（所用驅(qū)動芯片為ADI公司的ADUM4146）進(jìn)行波形分析、參數(shù)比對、驗(yàn)證保護(hù)功能是否可靠觸發(fā)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路開關(guān)參數(shù)與CGD1200HB2P-BM2驅(qū)動板相近，滿足碳化硅MOSFET驅(qū)動需求，并能可靠觸發(fā)保護(hù)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(tuán)永光電子有限公司，貴州貴陽550018）

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