报告简要：

邵天骢讲师分享了碳化硅栅极振荡的负反馈抑制方法的报告，针对器件高速开关动作过程中栅极路径，分析脉冲电压、电流干扰，提出了一种基于跨导增益的栅极负反馈控制方法，有效抑制了开关过程中栅极振荡。

（1）在负反馈控制机制的基础上，提出了一种利用P沟道辅助MOSFET和一个辅助电容以及驱动电阻的负反馈有源驱动（NegativeFeedbackActiveGateDrive,NFAGD），用于器件快速开关过程中的串扰和栅极寄生振荡抑制；

（2）所提NFAGD通过反馈控制回路，控制栅极电压跟踪驱动参考电压，反馈机制将减弱干扰，降低感应产生的串扰和寄生振荡；

（3）与传统驱动相同，NFAGD可以控制栅压跟踪驱动参考电压，从而控制MOSFET的开通和关断；

（4）与传统驱动相同，NFAGD驱动的SiCMOSFET，开关速度可以根据设计的时间常数灵活变化；

（5）与传统的栅极驱动方式(WOS、PS、AMC)相比，在测试的工况下，提出的NFAGD提高了整体开关性能，并使感应出的栅压扰动减小。

专家简介

邵天骢，北京交通大学电气工程学院讲师。在SCI期刊和国际会议发表论文20余篇，申请授权发明专利10余项。担任IEEETPEL,IEEETIE等多个国际期刊审稿人。获第十四届中国高校电力电子与电力传动学术年会优秀论文奖。主要研究方向：宽禁带器件有源驱动、新型拓扑及控制方法。

注：文字与图片报告无关

碳化硅（SiC）MOSFET因其优异的性能而广泛应用，但其高频开关特性也更容易引发栅极振荡，这是一个常见的挑战。

下面我们详细探讨一种基于负反馈原理的栅极振荡抑制方法，并与其他方法进行对比。

为什么碳化硅MOSFET容易发生栅极振荡？

在讨论解决方案前，先理解问题的根源至关重要：

1.极高的开关速度：SiC器件具有极低的栅极电容和更快的载流子迁移率，导致开关速度极快（dV/dt和dI/dt可达数十kV/μs和数kA/μs）。

2.寄生参数：快速的电流电压变化会通过电路中的寄生电感（源极电感、PCB走线电感）和寄生电容（米勒电容）产生强烈的耦合。

3.正反馈通路：快速变化的电流流过源极寄生电感时，会产生一个电压V=L*di/dt。这个电压会叠加在栅源驱动电压上，形成一个正反馈，从而引发栅极回路的LC谐振，导致振荡。

负反馈抑制方法：有源栅极驱动

传统的解决方法是在栅极串联一个电阻（R_g）。但这是一种“消极”的阻尼方法，因为它通过降低开关速度、消耗能量来抑制振荡。虽然简单有效，但牺牲了SiC器件高速开关的核心优势。

负反馈方法的核心思想是：实时检测振荡的“苗头”（即栅极电压的异常变化），并立即产生一个相反的驱动信号来“抵消”它。这就像一个自动控制系统，目标是维持栅极电压的稳定。

一种典型的实现方式是“有源栅极驱动”电路。

实现方案：基于运算放大器的有源阻尼电路

1.电路结构

在标准的栅极驱动电阻R_g之后，增加一个由运算放大器构成的负反馈网络。

检测点：从MOSFET的栅极（Kelvin连接，即独立的驱动源极回路，以排除功率回路源极电感的影响为佳）通过一个RC分压网络（R1,C1,R2）连接到运放的反相输入端。

参考点：运放的同相输入端接一个稳定的参考电压，通常就是驱动的稳态电压（如开通时为+Vdrive，关断时为0V或-Vdrive）。

输出：运放的输出通过一个电阻R_f反馈到栅极驱动器的输出端或直接连接到栅极电阻之前。

2.工作原理

稳态时：当栅极电压V_gs稳定在目标值（如15V）时，运放反相输入端电压与同相输入端参考电压相等，运放输出为0，负反馈回路不工作。此时驱动电路像普通驱动器一样工作。

振荡发生时：当栅极出现振荡，V_gs会围绕目标值上下波动。

当V_gs高于目标值时，运放反相输入端电压升高，由于是反相输入，运放输出会降低。

当V_gs低于目标值时，运放反相输入端电压降低，运放输出会升高。

负反馈作用：运放输出的这个“反向”电压变化，通过R_f作用到栅极，相当于在振荡的电压波形上叠加了一个相反的电压，从而有效地阻尼了振荡。这类似于在LC谐振回路中并联了一个“负电阻”，抵消了寄生参数产生的正反馈效应。

3.关键设计参数

增益：由反馈电阻和输入电阻决定（Av=-R_f/R_in）。增益需要精心设计，太小则阻尼效果不足，太大可能引入新的不稳定或影响正常开关速度。

带宽：运放本身的带宽和RC检测网络的带宽必须远高于可能出现的振荡频率（通常为几十MHz到上百MHz）。这要求使用高速、高压摆率的运算放大器。

相位裕度：整个反馈环路必须保持足够的相位裕度，否则负反馈可能在某个频率点变成正反馈，反而加剧振荡。

负反馈方法的优缺点

优点：

高效抑制：能够针对振荡频率进行精准、快速的阻尼，抑制效果通常比单纯增大R_g更好。

保持速度：在稳态开关期间对驱动速度影响很小，只在振荡发生时起作用，最大限度地保留了SiC器件的高速优势。

自适应潜力：通过更复杂的控制算法（如基于FPGA或专用IC），可以实现自适应的振荡抑制，应对不同工作条件下的振荡问题。

缺点：

复杂性高：需要额外的运放、电阻、电容等元件，增加了电路的复杂性和成本。

设计难度大：反馈环路的稳定性分析和参数调试非常关键且具有挑战性，需要深厚的模拟电路知识和经验。

带宽要求苛刻：需要昂贵的超高速运放，对PCB布局布线也非常敏感，任何引入的额外寄生电感都可能影响性能。

其他常用的振荡抑制方法（作为对比）

1.增加栅极电阻：最简单、最常用。但以牺牲开关速度和增加开关损耗为代价。

2.使用RC缓冲电路：在漏源极之间并联RC串联电路，吸收振荡能量。效果好但会增加导通损耗和成本。

3.优化PCB布局：

最大限度地减小功率回路和驱动回路的寄生电感。
采用开尔文源极连接，将驱动器的源极返回路径直接连接到MOSFET的源极引脚，避免功率回路电流的影响。这是最经济且最有效的预防措施之一

4.使用门极电容：在栅源极之间并联一个小电容（几十到几百pF），降低谐振频率并增加阻尼。但同样会降低开关速度。

总结

结论：

基于负反馈的有源栅极驱动方法是一种高性能的SiCMOSFET栅极振荡抑制方案。它通过在振荡发生时施加一个实时的反向驱动force，有效地阻尼振荡，同时最大限度地保留了SiC器件的高速优势。尽管其设计和实现较为复杂，但在对开关效率和电磁干扰有严苛要求的应用场合（如高端服务器电源、新能源汽车电驱等），它是一种非常具有吸引力的先进解决方案。

在实际工程中，通常优先采用优化PCB布局和开尔文连接作为基础预防措施，如果振荡依然存在，再考虑结合使用适中的栅极电阻和小容量栅极电容。只有在这些方法都无法满足要求时，才会考虑采用复杂的负反馈等有源抑制技术。

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