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基于碳化硅MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)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(guó)振華集團(tuán)永光電子有限公司

摘要： 針對(duì)碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)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(guó)產(chǎn)化的問(wèn)題，基于國(guó)產(chǎn)芯片設(shè)計(jì)了一款碳化硅MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)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(hào)與副邊信號(hào)的同時(shí)，采用18 V/-3.3 V的高低電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)上、下橋臂碳化硅MOSFET的控制，同時(shí)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(guó)際先進(jìn)水平Wolf Speed的碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)板CGD1200HB2P-BM2進(jìn)行了參數(shù)對(duì)比和功能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路開(kāi)關(guān)參數(shù)與CGD1200HB2P-BM2驅(qū)動(dòng)板相近，滿足碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)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(dòng)中。

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

中圖分類號(hào)：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(dòng)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(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求較高，一方面體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓與驅(qū)動(dòng)速度上，另一方面要求驅(qū)動(dòng)電路能監(jiān)測(cè)到碳化硅MOSFET工作異常情況，并及時(shí)進(jìn)行保護(hù)[4,5]。碳化硅MOSFET由于其開(kāi)通閾值較低，并且其較快的開(kāi)關(guān)速度，導(dǎo)致dv/dt較大，容易引起串?dāng)_導(dǎo)致誤開(kāi)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(duì)電路的影響。此外，驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路核心為碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片。表1為國(guó)內(nèi)外碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)比情況。

表1　國(guó)內(nèi)外碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)比情況

基于表1調(diào)研的驅(qū)動(dòng)廠家與芯片來(lái)看，國(guó)外驅(qū)動(dòng)芯片的Sink/Source電流能力集中在10 A左右，最大為20 A，而國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)芯片也基本可達(dá)到10 A；對(duì)于碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片，一般要求共模抗干擾度CMTI≥100 V/ns，國(guó)外驅(qū)動(dòng)芯片滿足此要求，英飛凌的1ED3321MC12N可達(dá)300 V/ns，而國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)芯片也可滿足要求；在傳播延時(shí)方面，國(guó)外芯片在75~150 ns，國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)芯片在50~70 ns，優(yōu)于國(guó)外驅(qū)動(dòng)；此外，國(guó)外驅(qū)動(dòng)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(guó)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(duì)于芯片的電壓隔離，國(guó)外集中在2 500 V~5 700 V，而國(guó)內(nèi)集中在3 700 V~5 700 V。

不論是碳化硅MOSFET還是驅(qū)動(dòng)芯片，國(guó)內(nèi)目前絕大部分公司都是選用國(guó)外產(chǎn)品，一部分原因是不了解國(guó)內(nèi)的公司有碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片，另一部分原因是不認(rèn)可國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的性能。設(shè)計(jì)一款全國(guó)產(chǎn)化的碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路全國(guó)產(chǎn)化需求，本文針對(duì)碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)及保護(hù)問(wèn)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(dòng)集成芯片提出了全國(guó)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(dòng)電路的性能，選取了國(guó)際領(lǐng)先水平的Wolf Speed公司所研制的碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)板CGD1200HB2P-BM2（所用驅(qū)動(dòng)芯片為ADI公司的ADUM4146）進(jìn)行波形分析、參數(shù)比對(duì)、驗(yàn)證保護(hù)功能是否可靠觸發(fā)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路開(kāi)關(guān)參數(shù)與CGD1200HB2P-BM2驅(qū)動(dòng)板相近，滿足碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)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(guó)振華集團(tuán)永光電子有限公司，貴州貴陽(yáng)550018）

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