目前,在工业电源和汽车电子系统等应用中,设计使用SiC的反激辅助电源,给系统的芯片供电。在调试过程中,当次级输出负载短路时,SiC非常容易发生损坏,栅极G和源极S之间短路,调整SiC的栅极驱动外围参数,例如,增加栅极驱动的关断电阻值、栅极与源极并联电容,都没有明显的改善。
反激辅助电源的PWM控制器Vcc使用变压器的辅助绕组供电,当变压器的次级输出负载短路时,辅助绕组的电压降低到非常低的值,几乎为0,Vcc电压也从正常工作值下降,因为Vcc并联电的电容很大,Vcc电压下降时间非常慢, 如果Vcc高于PWM控制芯片Vcc的UVLO,那么PWM控制芯片仍然在工作,直到Vcc电压低于UVLO值,PWM控制芯片才停止工作。
常用反激PWM控制器IC的Vcc的UVLO值通常为6.5-8.5V,如图1所示。
(a) PWM控制器UCx84x
(b) PWM控制器1
(c) PWM控制器2
图1 反激PWM控制器VCC的UVLO电压
次级输出短路,初级SiC工作峰值电流非常大,SiC的驱动电压在接近UVLO电压值工作,VGS电压比正常工作时的电压低很多,这样,SiC进入到线性区工作。当SiC在工作线性区时,驱动电压VGS越低,工作的电流最大值越低,也就是导通电阻及对应损耗急剧增加,导致SiC局部单元的栅极氧化区在高电场强度、高温的反复冲击下发生损坏。
在SiC的数据表中,列出了VGS与ID关系,如图2所示。当VGS=7V时,二颗1700V的SiC对应的最大工作电流非常小,分别为0.05A、0.2A。尽管器件1标称的导通电阻小于器件2,但是,VGS=7V,器件1的饱和电流远低于器件2,因此,在次级输出短路时,器件1更容易发生损坏。
(a) 器件1,1700V/1Ω
(b) 器件2:1700V/1.2Ω
图2 SiC的VGS与ID关系
SiC源极串联的电流取样电阻RS在高峰值电流工作下,电流取样电阻的电压值VS变大,SiC工作的实际驱动电压VGS会进一步降低,反激变换器的变压器发生饱和以及电流检测电路的RC滤波器时间常数大,都会进一步加剧SiC线性区工作的恶劣条件,导致损坏的发生。
为了解决这个问题,必须选用专用的UVLO高的反激PWM控制器,如BD768X的UVLO 最小值为13V,UCC28C56、57、58、59系列的UVLO值为12.5V,14.5V,15.5V,可以针对不同特性的SiC进行选择。其它的UCCx8C5x系列的UVLO值为6.6-9V,BD7679的UVLO为6.5V,以及普通的UCCx84x,就不适合基于SiC的反激辅助电源使用。
(a) BD768X(2/3/4/5)的UVLO
(b) UCCx8C5x系列的UVLO
图3 高UVLO值的PWM控制器
使用UCC28C56L,工作频率40kHz,Vin=800V,次级输出短路时的波形,如图4所示,此时,SiC能正常工作,不发生损坏。
图4 次级输出短路时的波形
那么,为什么同样应用,功率MOSFET管在次级输出短路时,不容易发生损坏?因为,对应于同样的导通电阻,功率MOSFET管在VGS=7V,饱和电流ID远远大于SiC器件,如图5所示。
(a) 器件1,700V/0.9Ω
(b) 器件2,700V/0.95Ω
(c) 器件3,700V/1Ω
图5 功率MOSFET管VGS与ID关系
图6 功率MOSFET管次级短路波形
在正常关机过程中,初级峰值电流小,SiC不会进入线性区或线性区工作时间非常短,就不容易发生损坏。