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摘 要

通过近些年的快速发展，电力电子技术不断趋于成熟，在生产生活方面电力电子器件得到了不断的运用。但是日渐发展的市场需求，使得电力电子器件需要不断的更新换代提高自己的性能，其中能够适应更高的温度环境、适应更高的工作频率成为一些电力电子器件还能否满足当下工作要求的重要依据。因此，具有更高的工作电压、更高的工作频率、更高的耐受温度以及更小的开关损耗优点的宽禁带功率半导体器件一经出现迅速占领市场，其中典型代表以SiC MOSFET主。进而，在SiC MOSFET的驱动与保护电路方面的研究对于的运用来说有重要的指导意义。

本文首先对SiC MOSFET的器件结构、工作原理等进行了简要介绍，并针对CAS300M12BM2模块进行了详细的输出特性曲线、导通与关断特性曲线以及转移特性曲线分析，明确驱动及保护电路需要注意和参考的一些前提条件。

其次，详细分析了其驱动电路需要满足的要求，并分别对驱动电压、栅极电阻进行了详细的分析与计算。同时，高电压的工作环境对驱动电路的也提出了隔离的要求，通过对常用的电气隔离方式进行对比分析，最终选择了光耦隔离。根据相关要求设计了驱动电路、计算了相关参数，并为驱动电路设计了死区电路。为保证SiC MOSFET能够安全稳定的工作，对其进行了保护电路的设计，包括故障类型及导致因素分析、过流检测方案的对比选取、过流保护电路设计、过压保护电路设计以及一些相关参数的计算。

最后，依据其电路原理图进行了PCB设计。通过对SiC MOSFET死区电路、驱动电路、漏极过流保护电路以及栅源极过压和漏源极过压保护电路的理论分析计算，明确了CAS300M12BM2模块的驱动及保护电路的准确性、可行性，基本满足驱动与保护要求。

关键词：SiC MOSFET；驱动电路；死区电路；保护电路；PCB

Abstract

With the rapid development in recent years, power electronic technology is becoming more and more mature, and power electronic devices have been used in production and life. However, with the development of market demand, power electronic devices need to be constantly updated to improve their performance. Among them, being able to adapt to higher temperature environment and higher working frequency has become an important basis for some power electronic devices to meet the current working requirements. Therefore, once the wide band gap power semiconductor devices with the advantages of higher operating voltage, higher operating frequency, higher withstand temperature and smaller switching loss appear, they quickly occupy the market, among which the typical representative is SiC MOSFET. Furthermore, the research on the driver and protection circuit of SiC MOSFET is of great significance to the application of SiC MOSFET.

In this thesis, the device structure and working principle of SiC MOSFET are introduced briefly, and the output characteristic curve, on-off characteristic curve and transfer characteristic curve of cas300m12bm2 are analyzed in detail, and some preconditions for driving and protection circuit to be noticed and referenced are clarified.

Secondly, the condition of the driving circuit are analyzed in detail, and the driving voltage and grid resistance are analyzed and calculated in detail. At the same time, the high voltage working environment also comes up with the isolation requirements for the driving circuit. Through the comparative analysis of the common electrical isolation methods, the optocoupler isolation is finally selected. According to the relevant requirements, the driving circuit is created, the correlation parameters are calculated, and the dead zone circuit is designed for the driving circuit. In order to ensure the security and stabilization operation of SiC MOSFET, the protection circuit is designed, including fault type and cause factor analysis, comparison and selection of over-current detection scheme, over-current protection circuit design, over-voltage protection circuit design and calculation of some relevant parameters.

Finally, the PCB is designed according to its circuit schematic. Through the theoretical analysis and calculation of dead zone circuit, drive circuit, drain over-current protection circuit, gate source over-voltage and drain source over-voltage protection circuit, it is clear that the accuracy and feasibility of the drive and protection circuit of CAS300M12BM2 module can basically meet the requirements of drive and protection.

Key Words：SiC MOSFET；driver circuit；dead-zone circuit；protection circuit；PCB

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3本文主要内容 2

第2章 SiC MOSFET工作原理及特性分析 4

2.1 基本结构与工作原理 4

2.1.1 SiC MOSFET的基本结构 4

2.1.2 SiC MOSFET的工作原理 5

2.2 SiC MOSFET基本特性分析 5

2.2.1 转移特性分析 5

2.2.2 输出特性分析 6

2.2.3 开关特性分析 7

2.3安全工作区 7

2.4 本章小结 8

第3章 驱动电路设计 9

3.1 驱动电路的需求分析 9

3.2 驱动电压分析 9

3.3驱动电阻分析 10

3.4 隔离方式的对比与选取 11

3.5驱动电源设计 12

3.6 死区电路的设计 13

3.7 驱动电路的设计 14

3.8 本章小结 15

第4章 保护电路的设计 16

4.1 常见故障类型 16

4.2 过流保护电路的设计 16

4.2.1短路检测方法分析 16

4.2.2 退饱和检测法 17

4.2.3 逻辑控制电路 18

4.2.4 保护动作电路设计 20

4.3 过压保护电路设计 21

4.3.1 过压保护类型 21

4.3.2 栅源极过电压保护 22

4.3.3 漏源极过电压保护 22

4.4 本章小结 23

第5章 驱动保护电路理论分析与PCB设计 24

5.1 SiC MOSFET驱动电路理论分析 24

5.1.1参数设置与计算 24

5.1.2 理论分析 25

5.2 保护电路理论分析 26

5.2.1 相关参数计算 26

5.2.2 过流保护电路理论分析 28

5.2.3 电压保护电路理论分析 29

5.3 PCB的设计 30

5.4 本章小结 32

第6章 总结与展望 33

6.1 全文总结 33

6.2 展望 33

参考文献 35

致 谢 37

第1章 绪论

1.1 研究背景

电力电子技术可以实现通过控制半导体开关管的通断来对电能进行变换与控制，其包括电力电子器件制造技术和变流技术，它的基础是电力电子器件制造技术，核心为变流技术，作为实现电能转换与控制的学科，电力电子技术可以实现弱电对强电的控制^[1]。因此，电力电子技术在我们的日常生活的各方面都有被应用的地方。电力电子技术能否被熟练运用的基础和前提是对电力电子器件性能的掌握，其发展与研究决定了电力电子技术的发展和进步。

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