新型SiC功率器件在Boost电路中的应用分析

 摘要：分析新型SiC功率器件在实际应用中的基本特性，以升压斩波电路为载体，通过理论分析对SiC MOSFET栅极电阻对开关特性的影响，以及开关频率与传输效率的关系进行了阐述。同时，以SiC MOSFET功率器件为核心搭建了实验样机，依据实测数据对理论分析进行验证，并与同类型Si器件相互比较，得出了关于SiC功率器件在系统电路设计方面的优点和一些值得注意的问题。

1 引言

风能、太阳能等新能源均需经过电力电子变换才能接入电网，随着新能源发电量的逐年攀升，市场对电力电子变换器的要求朝着大功率、高频率、低损耗的方向快步前进。作为传统电力电子变换的开关器件，Si IGBT已难以满足需求，而新型半导体器件SiC MOSFET具有更好的性能，被普遍认为是新一代的功率器件。

对于电力电子变换器而言，SiC MOSFET可作为开关器件使用。而在电力电子变换器中，升降压斩波电路是最基本的电路结构，以此为基础可扩展出各类电力电子变换器。因此，这里以升压变换电路为载体，对SiC MOSFET在实际应用中所面临的两大主要问题(即栅极电阻对开关性能的影响及频率对功率传输效率的影响)，进行理论分析和实验验证，以此得出应用SiC MOSFET进行系统设计时的一些注意事项。

2 Boost电路的基本原理

Boost变换电路通过对输入直流电压进行斩波，从而达到升压变换的目的，其基本电路结构如图1所示，其中，U1，U2为电源电压和输出电压。

通过控制开关管V的开关状态，可控制V2。

V由控制信号us控制，当us为高电平时，V导通，电感电压uL=U1>0，电感储能增加。当us为低电平时，V关断，uL<0，电感存储电能传输至负载侧;已知uL在一个开关周期内积分为零，则U1ton+(U1-U2)toff=0，ton，toff为开通、关断时间。可得：U2/U1=1/(1-D)，D为占空比，0≤D<1。由上述可知，U2>U1。假定电路无损耗，则输入功率P1等于输出功率P2，即P1=P2，由此可得平均输出电流关系为：

I2/I1=1-D (1)

3 栅极电阻对SiC MOSFET开关特性的影响

对于SiC MOSFET而言，为将控制器信号发送至栅极以控制其开关状态，在设计时往往附加一驱动电路以实现电压等级转换和功率扩大。然而在实际设计中，驱动电路不可能与开关管栅极直线相连，线路电感的存在不可避免。由于SiC MOSFET自身任意两极之间存在电容特性，在驱动电压作用下，线路电感必然与之发生激烈振荡，为消弱振荡阻尼至可接受范围内，通常采用的手段是在栅极串联电阻，从这一层面上看，栅极电阻越大越好。然而，由于栅极电阻的加入，驱动电源的电压特性遭到了破坏，降低了开关信号前后沿陡度，控制信号波形前后沿会出现明显的上升和下降指数。栅极驱动电路示意图如图2a所示，控制电压波形如图2b所示。其中，ug为控制器所发出的电压信号，L为线路电感，Rg为串联的栅极电阻，C为MOSFET栅极等效电容，us为栅极所接收的电压信号。

由此可知，Rg越大，τ越小，电流衰减越快;Rg越小，T越小。由于T决定电流第一次到达零值所需时间，故T越小，关断时间越短，下降沿陡度越大。

4 开关频率对SiC MOSFET传输效率的影响

理想的开关器件其导通压降为零，但即使SiCMOSFET也无法达到导通压降为零，此外由于存在开关损耗，使功率传输过程中必然存在一定损耗。

以Boost电路连续工作状态为例，分别对开关损耗和导通损耗粗略估算。U1和U2波形如图3所示。其中，δ1，δ2分别为开关管的开通和关断时间。

5 实验分析

实验电路基本参数：负载电阻40 Ω，串联电感10 mH，直流电容450μF，电压比310 V/400 V，输入功率2 630 W，占空比0.23。系统电路主要由功率模块、信号模块及控制模块3部分构成。

功率模块为主电路部分，使用两个SiC器件，其中一个作为开关管，另一个设定为关断状态，利用器件自身所携带二极管作为反向二极管，所使用的SiC器件具有高开关频率和低导通阻抗的优点。

信号模块主要功能是将功率模块测量得到的电压、电流及频率传送到控制模块，以此对开关管进行控制。控制模块可分为控制电路和触摸屏两部分，触摸屏主要功能在于显示测量所得数据以下达控制指令;控制电路核心部分是DSP(F2812)和FPGA(XC38500E)芯片，主要功能是接受触摸屏发出的指令，并以此向功率模块开关管发出相应的控制信号。利用实验电路，针对不同Rg和不同f做了两部分实验，分别验证上述理论的正确性。

(1)不同栅极电阻情况下SiC MOSFET开通、关断电流暂态过程

设f=20 kHz，分别选取Rg为6 Ω和10 Ω时分析开关管上升沿和下降沿暂态过程，图4为实验结果。可以看出，δ1(Rg=10 Ω)>δ1(Rg=6 Ω)δ2(Rg=10 Ω)>δ2(Rg=6 Ω)。与Rg=10 Ω相比，Rg=6 Ω开关速度更快。这验证了Rg越小，上升和下降暂态过程越短。对于传统Si IGBT而言，其开通和关断时间约400 ns，而从SiC电路实验结果可见，Rs=6 Ω时，δ1≈80 ns，δ2≈50 ns，减少了80%以上，这意味着SiC器件在开关频率方面开发前景更广阔。

(2)不同开关频率情况下功率传输效率

实验通过控制SiC MOSFET f逐步从零增加至100 kHz，测量不同f下η值，其结果如图5所示。

可见，在0～100 kHz区间内，SiC器件传输效率始终大于98.4%，这完全能够满足应用需求。随着f逐步增加，η逐步降低;Rg越大，η也越低，此结果符合f对η影响的理论分析。

6 结论

通过对实验结果的分析对比可见，SiC器件在电力电子设备应用上与Si器件相比有较大优势，但同样存在限制自身潜力开发的因素。在SiC系统电路设计中，栅极电阻的选择需充分考虑到限制暂态电流和开关时间限制这两个要求，同时为保证SiC器件传输效率，开关频率的选择也需慎重。