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，uL0，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≤D1。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 &O