摘 要：
随着全球气候和环境问题日益突出，我国提出“碳达峰、碳中和'的发展目标，推动新能源发电与电动汽车的发展对实现这一目标具有重要意义。作为新一代功率半导体器件，SiC MOSFET功率模块应用在上述场所的主逆变器与变频器中能够提升系统的功率密度，提高电能转换效率，降低能量损耗。但其应用优势与挑战并存，由于更快的开关频率和开关速度，SiC MOSFET开关过程中的振荡以及电压电流过冲现象显著，产生额外的开关应力，导致电磁干扰问题突出；此外发生短路时，相对于Si基半导体电流密度大，热量积累快，短路耐受时间短，易发生短路失效问题。针对上述两方面问题本文主要研究内容如下：
首先介绍了SiC材料的优越性能以及国内外主要厂家的器件研发状况，随后对SiC MOSFET的主要工作原理和电气特性进行介绍。将SiC MOSFET的开关过程分阶段进行详细的电路和数学分析，并就驱动参数对其开关过程的影响进行仿真和实验验证，给出合适的驱动参数选择范围。
其次针对SiC MOSFET模块开关过程中产生的振荡与电压电流过冲问题，提出一种含辅助栅极电流控制单元的驱动电路(AGD)，通过开关过程中对漏极电压电流的检测在不同阶段控制栅极电容的充放电速度，设计并制作完整的数字驱动器。利用双脉冲实验与传统有源驱动(CGD)进行对比，验证了AGD良好的振荡和电压电流过冲抑制性能以及开关损耗表现，同时AGD驱动电路能够改善器件工作时的EMI问题。随后在不同电压、电流以及不同工作温度下对AGD的振荡和过冲抑制功能进行实验验证。
最后通过仿真和实验分析HSF和FUL短路特性的主要影响因素。就SiC MOSFET主要短路检测与保护方式进行对比分析并选择可靠性高、商业应用广泛的退饱和检测方案设计制作相应的短路保护驱动电路。仿真和实验表明驱动电路能可靠地检测和关断HSF和FUL两类短路。在实验中采用辅助栅极电流控制单元减小SiC MOSFET功率模块短路电流关断时产生的过电压尖峰。
3、SiC MOSFET模块开关振荡抑制研究
相比于Si基功率半导体器件，SiC MOSFET的开关速度与开关频率更高，能够应用在更高速的开关场合，提高设备工作效率。但是由于在器件内部以及功率回路中存在寄生电感寄生电容等参数，较高的开关速度导致开关过程中振荡现象的同时，大的dv/dt和di/dt会产生更高的电压电流过冲，造成额外的开关应力，同时这些现象会影响设备的可靠性，增加电磁干扰（EMI)等问题，甚至会导致自导通现象。此外，电压电流过冲的产生会带来器件容量的浪费和成本增加等问题，也限制了功率转换器的最大工作范围，对SiCMOSFT的广泛应用提出了挑战。
本章在建立SiC MOSFET模块开关过程功率回路模型基础上，对电路中存在的寄生参数进行了详细介绍。虽然可以采取措施减小回路中的杂散电感，但寄生参数无法完全消除。因此提出一种辅助栅极电流控制有源驱动电路，控制栅极电容的充放电速度，在尽量不牺牲SiC MOSFET开关速度和增加开关损耗的基础上，抑制开关过程中的振荡现象和电压电流过冲，实现从源头上改善SiC MOSFET开关过程EMI性能的目的。
根据上一章的内容，定义关断电流下降时间为从负载电流的90%下降到10%
所需的时间，将、时刻的电流值分别定义为负载电流的90%和10%，取此时
间段内的对电感上的电压的积分值能够减小寄生电感的测量误差。
由于SiC MOSFET的封装确定以后，其内部的寄生参数已经确定，查阅实验
中使用的CAS120M12BM2器件手册知其上管的寄生电感为6nH。且接线回路中固定处的螺丝等寄生参数也不易改变，而母排回路杂散电感的大小可以通过适当缩短母排回路，优化PCB设计等手段来减小。如图3-3，通过缩短母排回路，以及使用叠层母排等均能降低杂散电感。
图3-3缩短母排回路减小杂散电感
但是功率回路中寄生参数是不可避免的，而SiC MOSFET由于开关速度快，使其对寄生电感等参数十分敏感，所以研究SiC MOSFET开关振荡抑制原理与影响因素十分具有意义。接下来的内容将对开关过程振荡原理进行分析，并通过驱动电路的改进来实现开关过程的振荡抑制。
实验波形能看出，为了得到相同的振荡与过冲抑制效果，AGD有源驱动电路作用下SiCMOSFET的开关时间有所延长，但是驱动电路仍能可靠的抑制振荡和过冲。
4、不同模块
直流母线电压仍然设为400V，选择额定电流为300A的CAS300M12BM2
SiCMOSFET功率模块，调节脉冲时间使漏极电流为200A。AGD驱动下器件的开通和关断波形如图3-30所示。
可以看出所设计的AGD有源驱动作用在不同SiCMOSFET模块上时，仍然具有很好的开关振荡与电压电流过冲抑制效果。
5、减小栅极开关电阻振荡抑制
根据第二章的分析可知，减小栅极开关电阻能够缩短SiCMOSFET的开通和关断时间，但会增加振荡程度和过电压过电流。下面保证直流母线电压为400V，
根据实验数据可以看出与常规驱动（CGD)相比，AGD由于较小的延长了开关时间，因而开关损耗相应小幅增加。但如果计及SiCMOSFET开关过程后续的振荡现象产生的损耗，可以看出二者的总损耗差值很小。
3.5本章小结（Chapter Conclusion)
本章研究的是SiC MOSFET模块开关过程中的振荡现象与电压电流过冲产生原理及其抑制电路。首先对SiC MOSFET双脉冲测试功率回路中的寄生参数进行了分析，讨论了减小回路杂散电感的主要方法：接下来对在含寄生参数的SiC MOSFET功率回路中，详细分析了其正常开关时的振荡和电压电流过冲现象产生原理；基于此提出一种含辅助栅极电流控制单元的SiC MOSFET有源驱动电路，通过改变开关过程栅极电流的大小来抑制振荡和过冲，利用AD软件进行驱动电路的设计制作：最后通过实验验证了所提出的AGD驱动电路在不同工作电压、电流、温度以及应用在不同模块上的振荡及电压电流过冲抑制效果。并在不
同栅极开关电阻下与传统有源驱动电路进行对比，结果表明AGD驱动电路能在较小地牺牲开关速度以及增加开关损耗的情况下，很好地实现SiC MOSFET开关过程中的振荡和过冲抑制，改善器件工作时的EMI性能。
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