摘 要：
高开关速率且栅极电压稳定的驱动是SiC MOSFET 高频工作、进而实现功率变换系统小型化和轻量化的关键技术之一。 针对如何在高开关速率下稳定驱动SiC MOSFET，并实现可靠的短路保护，根据栅源电压干扰的传导特点，基于辅助器件的跨导增益构建负反馈控制回路，提出一种SiC MOSFET栅极驱动，进而研究揭示该驱动的短路保护策略。首先，基于跨导增益负反馈构造栅极驱动电路并分析其工作原理；其次，研究该驱动的串扰抑制能力与短路保护特性；最后，通过实验证明基于跨导增益负反馈的栅极驱动电路的可行性，及其在串扰抑制和短路保护中的有效性。
近年来，以碳化硅SiC（silicon carbide）为代表的宽禁带半导体技术快速发展和商业化，为电力电子领域带来了技术革新的契机”。一般而言，宽禁带材料的能隙、击穿电场、导热系数、电子迁移率和熔点都显著高于传统硅（Si）材料²。采用碳化硅器件将提升开关速率，缩短开关过程中电压和电流的交叠时间，减小开关损耗，提升装置效率；在此基础上，通过进一步提高开关频率，可减小无源器件尺寸，降低变换器系统成本，提升装置的功率密度和性价比。碳化硅器件在体积和重量要求较高的电气化轨道交通，特别是高速铁路和城市轨道交通的电力牵引驱动系统的应用中有着显著优势。然而，碳化硅器件的开通、关断过程中，米勒电容被迫充、放电产生位移电流干扰栅极电压，高速率开关的碳化硅器件引起的栅极寄生振荡现象更为显著。若无法提供足够稳定的栅极电压，将导致系统降频工作，限制变换器系统的进一步高频化和小型化。因此，开关速率高且栅极电压稳定性强的栅极驱动，是高频高功率密度碳化硅应用中的关键技术。
国内外学者对高开关速率条件下，碳化硅器件的可靠稳定栅极驱动技术展开了深人研究。针对采用固定电阻的传统驱动，研究了SiC MOSFET开关速率的关键限制因素，研究结果为消除串扰并改进栅极驱动提供了重要依据；进一步分析传统驱动下，SiC MOSFET的开关动态过程，通过实验对比提出了参数优化思路；研究了商业化程度较高的有源米勒钳位技术AMC（ac-tiveMiller clamp），其工作原理是在检测到栅极电应力高于钳位阀值后，主动使能在栅源极之间的辅助晶体管，将栅极直接钳位于负向偏置电压，然而，研究表明，有源米勒钳位技术在du/d低于20V/ns时，可以显著改善栅极寄生振荡，但是在du/dt较高的情况下，对于栅极寄生振荡，尤其是对栅极电压负向尖峰的缓解作用有限，为进一步增强高开关速率条件下，SiC MOSFET的栅极电压稳定性，提出了两种米勒电容耦合振荡抑制方法：栅极阻抗调节技术GIR(gate impedance regulation)和栅极电压控制技术GVC（gate voltage control)，根据驱动信号规律预测栅极变化趋势，通过逻辑信号发生器控制栅极驱动中的辅助开关管，在开关瞬态过程中降低栅极阻抗从而钳位栅极电压，或在开关瞬态之前对栅源电容进行预充电从而反向抵消栅极的变化，dv/dt可达24.9V/ns；在后续研究中，提出了智能栅极驱动器IGD(intelligentgate drive)，在不同的开关瞬态下，根据驱动信号规律预测栅极振荡趋势，通过改变栅极电压和阻抗抑制串扰，降低栅极电应力。
研究表明，在db/dt=40V/ns时，IGD技术对串扰有明显抑制作用，然而，SiC MOSFET的运行工况变化时，特别是在短路故障工况下，其开关动态也相应改变，根据固定规律预测栅极变化趋势易出现过补偿或欠补偿，影响前馈控制精度。因此，如何在高开关速率下稳定驱动SiC MOSFET，并实现可靠的短路保护，仍是值得探索的问题。为此，本文根据栅源电压干扰的传导特点，基于辅助器件的跨导增益构建负反馈控制回路，提出一种SiC MOSFET栅极驱动，进而研究揭示该驱动的短路保护策略，最后通过实验研究所提栅极驱动电路的可行性，及其在串扰抑制和短路保护中的有效性。
基于跨导增益负反馈的栅极驱动电路
除辅助MOSFET之外，普通SiC MOSFET驱动芯片输出信号，经过驱动电阻R和辅助电容C构成的无源网络后，得到作为栅源极的参考信号。驱动电阻R和辅助电容C用于调节被控SiC MOSFET的开关速度。在功能上，辅助电容C可缩小驱动芯片、辅助MOSFET和被控SiC MOSFET栅源极三者构成的回路面积，实现驱动回路的高频解耦；驱动电阻R可限制驱动芯片对辅助电容C的充、放电电流大小，起限流和保护的作用。需要指出的是，基于跨导增益负反馈的栅极驱动电路不依赖额外的电路，仅采用普通SiC MOSFET的驱动芯片和驱动电阻R，外加辅助MOSFET和辅助电容C即可实现。
3、短路保护设计
本文基于退饱和检测原理，研究所提驱动的短路保护。在所提驱动的短路保护电路中，退饱和检测电路由检测二极管和限流电阻等元器件构成，如图5所示。
降很低，若SiC MOSFET退饱和，漏源电压急剧升高，以此来判断短路故障是否出现。短路保护电路的原理与硬开关短路情况下类似，在此不再赘述其模态过程。
4实验结果
本文搭建图6所示桥臂电路实验平台，验证所提驱动在栅极电压稳定性改善中的作用和短路保护功能。桥臂电路实验台主要参数如表1所示。电压波形测量采用100MHz的差分电压探头Yoko-gawa700924，电流波形测量采用30MHz罗氏线圈PEM CWT1。
由上升、下降过程的局部放大图可以看出，va和v具有几乎相同的上升、下降速度。根据自动控制原理可知，驱动电阻对辅助电容充电的动态过程曲线数值达到稳态的63.2%时，动态过程的时间在数值上恰好等于充电时间常数；观察栅源电压上升、下降过程的曲线可知，其时间常数为50ns，符合对驱动电阻以及辅助电容的预期设计。在忽略测量引人的高频毛刺影响的条件下，工作原理验证结果与前文的分析一致，一定程度上验证了基于跨导增益负反馈的工作原理。
5、结论
SiC MOSFET开关动作造成的脉冲电压干扰和脉冲电流干扰，通过米勒电容耦合到栅极，干扰栅源电压，形成串扰。根据这一特点，本文采用普通驱动芯片、驱动电阻，外加辅助MOSFET、辅助电容，提出了一种基于跨导增益负反馈的SiC MOSFET栅极驱动电路。驱动电压作为栅源极的参考信号，输人栅极负反馈控制回路。参考信号与被控SiC MOSFET的栅源电压之差，通过辅助MOSFET的跨导增益，控制由被控SiC MOSFET输人电容和栅极内电阻共同构成的被控对象。引人负反馈控制后，若栅源电压增大（或减小），则与参考值之差增大，经过驱动管跨导增益的调节，对输人电容放电（或充电），栅源电压恢复稳定。栅极负反馈控制的目标是让被控SiC MOSFET的栅源电压跟踪驱动信号的变化，并屏蔽脉冲电压和脉冲电流的干扰。
控制环路的传递函数分析表明，因为辅助MOSFET的跨导增益较大，控制环路的开环放大倍数足够大，对干扰信号具有足够大的抑制比，可有效抑制高速率开关条件下，干扰信号对SiCMOS-FET栅源电压的干扰。实验结果表明，工作在相同的开关速率下，采用本文所提驱动将获得更稳定的栅极电压，短路时电流峰值也相对较低。本文的研究结果将有利于进一步提高SiC MOSFET在高开关速率下的运行可靠性，更充分地发挥碳化硅器件的性能优势。
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系
我们将为您提供高效、贴心的解决方案！
咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
点击下方图片免费领取产品规格书
想深入了解碳化硅功率器件产品知识？点击→「碳化硅（SiC）课堂」获取详情！
