针对碳化硅MOSFET驱动电路设计难度较大、门极易受串扰、保护功能不齐全以及全国产化的问题，基于国产芯片设计了一款碳化硅MOSFET半桥驱动及保护电路。重点分析总结了碳化硅MOSFET有源米勒钳位保护、退饱和保护以及桥臂互锁保护原理与模型。在隔离原边信号与副边信号的同时，采用18V/-3.3V的高低电平，实现对上、下桥臂碳化硅MOSFET的控制，同时集成了欠压锁定、退饱和保护、桥臂互锁、有源米勒钳位保护的功能。与国际先进水平WolfSpeed的碳化硅MOSFET驱动板CGD1200HB2P-BM2进行了参数对比和功能测试。实验结果表明，该电路开关参数与CGD1200HB2P-BM2驱动板相近，满足碳化硅MOSFET驱动需求，并能可靠触发保护功能。电路已实际应用于碳化硅MOSFET的驱动中。
碳化硅MOSFET作为第三代半导体代表产品之一，以其优异的耐高压、耐高温、低损耗、通流能力强、导通电阻小等性能被广泛应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域。碳化硅MOSFET对驱动电路要求较高，一方面体现在驱动电压与驱动速度上，另一方面要求驱动电路能监测到碳化硅MOSFET工作异常情况，并及时进行保护。碳化硅MOSFET由于其开通阈值较低，并且其较快的开关速度，导致dv/dt较大，容易引起串扰导致误开启，进一步造成上、下桥臂直通，因此需要有源米勒钳位保护，抑制串扰对电路的影响。此外，驱动电路还需要桥臂互锁保护、退饱和保护、欠压锁定等保护功能。
而碳化硅MOSFET驱动电路核心为碳化硅MOSFET驱动芯片。表1为国内外碳化硅MOSFET驱动芯片对比情况。
基于表1调研的驱动厂家与芯片来看，国外驱动芯片的Sink/Source电流能力集中在10A左右，最大为20A，而国内驱动芯片也基本可达到10A；对于碳化硅MOSFET驱动芯片，一般要求共模抗干扰度CMTI≥100V/ns，国外驱动芯片满足此要求，英飞凌的1ED3321MC12N可达300V/ns，而国内驱动芯片也可满足要求；在传播延时方面，国外芯片在75~150ns，国内驱动芯片在50~70ns，优于国外驱动；此外，国外驱动芯片集成了退饱和保护、有源米勒钳位、欠压锁定、上拉/下拉独立可控等保护功能；而国内青铜剑、瞻芯、华大半导体厂商的保护功能均不完善，纳芯微的NSI6611保护功能可满足要求。此外，对于芯片的电压隔离，国外集中在2500V~5700V，而国内集中在3700V~5700V。
不论是碳化硅MOSFET还是驱动芯片，国内目前绝大部分公司都是选用国外产品，一部分原因是不了解国内的公司有碳化硅MOSFET驱动芯片，另一部分原因是不认可国内产品的性能。设计一款全国产化的碳化硅MOSFET驱动电路，将碳化硅MOSFET更好地运用到工业中是亟需解决的事情。
为满足碳化硅MOSFET驱动电路全国产化需求，本文针对碳化硅MOSFET驱动及保护问题，建立了保护电路的模型并做了详细分析，基于纳芯微电子NSI6611驱动集成芯片提出了全国产化方案，为需要运用碳化硅MOSFET的工程师提供电路参考。
为验证本驱动电路的性能，选取了国际领先水平的WolfSpeed公司所研制的碳化硅MOSFET驱动板CGD1200HB2P-BM2（所用驱动芯片为ADI公司的ADUM4146）进行波形分析、参数比对、验证保护功能是否可靠触发测试。实验结果表明，该电路开关参数与CGD1200HB2P-BM2驱动板相近，满足碳化硅MOSFET驱动需求，并能可靠触发保护功能。
1、保护电路原理分析
1.1有源米勒钳位保护原理分析
为解决门极串扰问题，在采用负压VEE关断的同时，提供了一种碳化硅MSOFET有源米勒钳位电路，当检测到门级电压低于Vclamp_th（比VEE高2V）时，比较器翻转，门极引脚被MOSFET下拉，从而提供低阻抗路径以避免碳化硅MOSFET误导通。
电路原理图如图2所示，该电路主要由电源模块、主控器、驱动集成芯片、驱动电阻（Rg）、碳化硅MOSFET（Q1）、比较器（U1）、MOSFET（Q2）、串扰抑制逻辑模块组成。
串扰抑制逻辑模块框图如图3所示，电路主要有光耦、与门U2、或非门U3组成。光耦用于隔离控制输入信号，增加系统鲁棒性；或非门、与门组成逻辑模块，用于控制MOSFET(Q2)的开通与关闭。
其中IN1为控制输入信号，IN2为比较器输出信号，G2为控制MOSFET开关信号,真值表如表2所示。
当控制信号IN1由高电平转换到低电平时，碳化硅MOSFET由开通状态转换为关闭状态，G1信号由高电平VCC（18V）下降到VEE（-3V），G1信号在下降到Vclamp_th之前，比较器输出信号IN2为高电平，G2信号为低电平，MOSFET（Q2）关闭；当G1信号下降并低于Vclamp_th时，比较器输出信号IN2为低电平，G2信号为高电平，MOSFET（Q2）导通，如图4所示，iMiller将直接通过Q2流出，为碳化硅MOSFET门极信号提供低阻抗路径，从而有效避免串扰问题。
1.2退饱和保护原理分析
对于碳化硅MOSFET来说，在正常导通情况下，其VDS两端的电压可能为2V，芯片内部的上拉电源ICHG电流从DESAT端口流出，通过RLIM和DHV流入MOSFET。此时，CBLK即DESAT端口两端压降为VDS压降加高压二极管正向导通压降加RLIM两端压降，如图5（a）所示。
当短路情况发生时，VDS两端的压降会迅速上升，这时高压二极管会发生反偏，内部电流源电流只有一条流向，即给CBLK电容充电，当CBLK电容两端压降即DESAT电压超过阈值电压，便会触发短路保护，如图5（b）所示。退饱和保护电路原理如图5所示。
1.3桥臂互锁原理分析
桥臂互锁逻辑模块如图6所示，主要由或门、异或门组成，避免因误操作或算法错误使得PWM1、PWM2同时给高电平，造成碳化硅MOSFET上下桥臂同时导通，导致半桥直通短路损坏的情况。
其中PWM1、PWM2为脉冲信号，IN1、IN2为驱动芯片的输入信号，Q1、Q2分别为上、下桥臂的碳化硅MOSFET开关状态，其真值表如表3所示。
从真值表可以看出，当PWM1信号为高电平、PWM2信号为高电平时，IN1与IN2为低电平，上、下桥臂均处于关断状态，有效避免了因误操作或算法错误导致的桥臂直通情况。
2、驱动电路及保护设计
驱动电路及保护设计碳化硅MOSFET半桥驱动及保护电路如图7所示，该电路主要由隔离电源模块、隔离驱动芯片、LDO、桥臂互锁逻辑模块、驱动电阻组成。
2.1电源部分
隔离电源模块选用国产电源模块QA01C-18，其输出功率为2W，输入电压为15V，通过内部隔离，将电压转化为VCC（+18V）、VEE（-3.3V），为隔离驱动芯片的副边供电，以达到驱动碳化硅MOSFET的能力。
LDO选用国产芯片CJ7805，其最大输出电流为1.5A，可以将15V电压转换为5V电压，为驱动芯片的原边供电。其电路原理图如图8所示。
C1、C8为电解电容，作储能用；其余作为旁路电容，将电路中的高频成分滤掉，提高电源纯净度。电容应尽可能靠近芯片引脚，以提高电源稳定性、减少噪声、优化电路性能、降低EMI。
2.2桥臂互锁逻辑模块
桥臂互锁逻辑模块主要由与门SN74HC08N（U4）、异或门SN74HC86DTR（U5）、电阻、电容组成，其电路原理图如图9所示。
在电路原理图中，PWM输入信号经过与门、异或门后输出IN1、IN2，避免因误操作或算法错误使得PWM1、PWM2同时给高电平，造成碳化硅MOSFET上、下桥臂同时导通，导致碳化硅MOSFET短路烧毁的情况。逻辑信号真值表如表2所示。
电阻R1、R4为上拉电阻；电阻R3、R4与电容C17、C18组成低通滤波器，滤除电路中的高频信号。
2.3驱动及保护电路
驱动电路首先考虑采用国产驱动芯片NIS6611，其输出峰值电流为±10A，满足碳化硅MOS驱动能力，输出信号上升时间、下降时间在10nF负载下也仅为50ns，并且其集成了欠压锁定、退饱和保护以及有源米勒钳位保护功能。此外，其共模抗干扰度≥150kV/µs，实现原边、副边信号隔离。
在电路原理图中，PWM1、PWM2信号经过桥臂互锁逻辑模块后输入到驱动芯片，驱动芯片NSI6611在隔离原边、副边的同时，将信号电压进行电平转换并提高信号的驱动能力。
信号POWER+、信号POWER-为直流母线电压，AC信号为半桥交流输出。
由于NSI6611芯片内部已集成有源米勒钳位电路，因此只需要通过电阻R5、R13连接到此芯片的CLAMP引脚，构成有源米勒钳位检测电路，一般电阻取值为0Ω。
3、实验验证
为验证碳化硅MOSFET半桥驱动及保护电路的有效性，通过电源SPD3303C、信号发生器DG1032以及示波器HD06104B搭建了实验平台，并与WolfSpeed的碳化硅MOSFET半桥驱动板CGD1200HB2P-BM2进行了参数、功能测试对比。实验平台如图11所示。
3.1开关特性
在驱动电阻Rgon为3Ω，G、S之间的电容Cgs为1nF的条件下测试本驱动电路以及CGD1200HB2P-BM2驱动电路。
开关特性测试波形如图12所示，图中黄色为输入PWM信号（2V/格），红色为门极驱动信号Vgs（5V/格），横轴时间轴为50ns每格。
经对比测试，本电路上、下桥臂参数测试结果如下：Tdon为89ns、94.68ns；Tdoff为88.1ns、90.96ns；Tr为16.87ns、14ns；Tf为29.1ns、28.74ns。CGD1200HB2P-BM2的Tdon为106ns、105.2ns；Tdoff为150ns、148ns；Tr为6.5ns、6.6ns；Tf为5.9ns、6.1ns。
从参数可以看出本电路Tdon、Tdoff优于CGD1200HB2P-BM2，而Tr、Tf略长与CGD1200HB2P-BM2。由于碳化硅MOSFET所使用开关频率一般小于100kHz，因此本电路的上升时间Tr、下降时间Tf满足使用需求。
3.2退饱和保护
驱动电路在不连接碳化硅MOSFET的情况下，DHV截止，电流源向CBLK充电，CBLK的电位线性上升，直到达到门槛时比较器翻转，从而将门极信号拉低至VEE。
测试波形如图13所示，图中黄色波形为输入PWM信号（2V/格），红色波形为门级驱动信号（5V/格），蓝色为电容CBLK正端电压（5V/格）Vblk，横坐标时间轴为500ns/格。
可以看出，在CBLK电位达到阈值电压后，门极信号被迅速拉低，退饱和保护有效触发。
本电路退饱和保护时间为1.46µs，CGD1200HB2PBM2为308.8ns。由于碳化硅MOSFET其短路耐受时间一般小于4µs，通常要求短路保护短路在2µs内起作用，因此本电路满足退饱和保护要求。
3.3桥臂互锁保护
桥臂互锁测试波形如图14所示。图中，黄色为PWM1信号（2V/格），红色为PWM2信号（5V/格），蓝色为上桥臂门极驱动信号Vgs（2V/格），横坐标时间轴为50ns/格。
从图14中可以看出，在PWM1为高电平，PWM2为低电平时，上桥臂门极信号为高电平，属于上桥臂开通，下桥臂关断情况；当PWM2从低电平变为高电平后，上桥臂经过短暂延时后被拉低，实现桥臂互锁功能。
本电路桥臂互锁保护时间为90.96ns，CGD1200HB2P-BM2为96.5ns，参数相近，满足桥臂互锁功能。
3.4有源米勒钳位保护
当门极驱动信号下降，至Vclamp_th时，CLAMP引脚将内部的MOSFET拉低至VEE，Vclamp_th典型值为2V(以VEE)为参考地。当PWM信号变高时，内部MOSFET关闭。测试原理图如图15所示。
测试波形见图16。图（a）中，黄色为PWM信号（2V/格），蓝色为GATE端的方波信号（2V/格），红色为CLAMP引脚信号（2V/格）,横坐标时间轴为1ms/格；图（b）中，黄色为PWM信号（2V/格），蓝色为gate端的方波信号Vgate（10V/格），红色为CLAMP引脚信号Vclamp（2V/格）,横坐标时间轴为1ms/格。
从图16中可以看出，在GATE下降到低电平时，CLAPM信号被拉低至VEE2（MOSFET打开），而当PWM信号变高时，CLAMP信号不再是VEE2（（MOSFET关闭）；当GATE信号从低电平升高至高电平时，内部MOSFET不会受到clamp的电压的控制，因此不动作。
对比图16(a)与图16(b)，可看到clamp端信号有较大差别，其原因是CGD1200HB2P-BM2的负压为-5V，为本电路负压为-3.3V，当下拉至VEE2（-5V/-3.3V）时，图16(b)表现得更加明显。
4、结论
针对碳化硅MOSFET驱动问题，基于国产芯片NSI6611设计了一款驱动及保护电路。该电路在隔离原边信号与副边信号的同时，采用18V/-3.3V的高低电平，实现对上、下桥臂碳化硅MOSFET的控制，同时集成了欠压锁定、退饱和保护、桥臂互锁、有源米勒钳位保护的功能。通过搭建实验平台，与国外WolfSpeed的碳化硅MOSFET驱动板CGD1200HB2P-BM2进行了开关参数测试比对，同时针对米勒有源钳位保护、桥臂互锁、退饱和保护功能进行了测试。实验结果表明，该电路开关参数与CGD1200HB2P-BM2驱动板相近，满足碳化硅MOSFET驱动需求，并能可靠触发保护功能。本电路已实际应用于碳化硅MOSFET的驱动中。
驱动设计注意事项
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