摘要：
碳化硅（SiC)器件由于具有禁带宽度更宽、临界击穿场强高、导通电阻小等优点，相比于硅(Si)器件更适用于高频开关场合，有利于提升电力电子装置的效率，减小装置体积。SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)在全桥电路应用中，交替导通的上、下开关管易发生串扰问题，严重限制了SiC MOSFET的应用。结合SiC MOSFET的参数特性及驱动要求，设计了一种高效的SiC MOSFET驱动电路，描述了其电路设计过程，并采用了一种栅极有源位串扰抑制方法。最后搭建了实验测试平台，验证了驱动电路的功能。
1、引言
近年来，以SiC MOSFET为代表的宽禁带半导体电力电子器件取得了蓬勃发展。与Si材料相比，SiC材料的禁带宽度为Si的3倍，具有更高的载流子饱和迁移率，因此具有临界场强高、热导率高及通态损耗低等优点。相比于同等功率和电压等级的Si IGBT,SiC MOSFET由于寄生结电容小、导通电阻小、不存在拖尾电流等优势，能够显著改善开关损耗和通态损耗，更适用于高频开关场合，有利于提高变换器效率，减小无源器件的体积l。由于器件参数特性的差异性SiC MOSFET的栅极阈值电压和栅极可承受的电压较低，由于其通常工作在高频开关场合，开关动态过程非常快，因此SiC MOSFET'对寄生参数异常敏感。此外，在全桥电路应用中，同桥臂上下管漏源极的电压变化率容易在反馈电容上产生反馈电流，导致开关过程中会产生栅极振荡，且反馈电流流过关断电阻形成的压降容易超过栅极阈值电压，引发串扰问题，导致开关管误导通；而在换流过程中，同样由于反馈电容的快速充放电，串扰引起的负压尖峰问题易导致开关管的永久损坏。针对此类问题，建立了基于同步Buck变换器的SiC MOSFET开通和关断过程的数学模型，并实验验证了包括栅极电阻不同寄生参数对SiC MOSFET开关特性的影响对同桥臂上管开关时对下管产生串扰的机理进行了分析，并采用负压关断和添加辅助电容的方式，以提高下管栅极的抗扰能力，但增加了驱动延时和电路复杂性。
设计了一种可工作在高温下的SiC MOSFET栅极驱动电路，但其采用了各类离散型耐高温元器件，增加了应用成本。对下管开关时对上管产生串扰的机理进行分析，仿真对比驱动电阻和驱动电路结构对串扰的抑制结果，但未进行实验对比。综上，在SiC MOSFET的驱动电路设计层面，还未有符合实际应用的定论，且各类抑制串扰问题的驱动设计方法均不同程度地牺牲了驱动电路的性能。在此对SiC MOSFET驱动设计过程中的动态参数特性、驱动芯片参数适配性、驱动芯片温升等问题进行了计算分析，详述了SiC MOSFET驱动设计的原则，并且针对同桥臂上下开关管的栅极串扰问题，设计了一种栅极有源箱位串扰抑制电路，增强栅极鲁棒性。最后，实验验证了驱动电路在全桥电路中应用的有效性。
2、SiC MOSFET驱动要求及参数特性
由于SiC MOSFET特殊的参数特性要求，且通常工作在高频状态下，因此其驱动电路设计对驱动电压和驱动延迟时间等问题要求较高。通常，对于SiC MOSFET驱动的要求包括：①驱动芯片输出脉冲边沿要陡峭，芯片管脚输出延时要小；②能提供足够的输出功率和输出电流，以满足对SiC MOSFET的结电容快速充电；③驱动电压足够高，以保证SiC MOSFET的完全导通，但不超过允许的栅极极限电压范围；④减小驱动回路寄生参数，防止栅极振荡引发的电磁兼容(EMC)问题，必要时加入振荡抑制电路；加入栅极有源籍位电路，防止高速开关过程中的栅极串扰问题发生。为充分发挥SiC MOSFET的性能，驱动电路不能完全使用原有Si IGBT的技术方案。故选择相同电压等级的IKW40N120CS6型Si绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和C2M0040120D型SiC MOSFET进行对比，研究二者的参数差异对驱动电路提出的要求，参数特性对比如表1所示。
由表1可见，SiC MOSFET相比于Si IGBT的开关损耗更小，寄生参数更低，但栅源极耐压范围和栅极阈值电压相对较小，因此二者驱动电路参数选择中最显著的区别在于驱动电压和驱动电功率的不同。对于驱动电压,IKW40N120CS6栅极允许最大电压为+20 V，而C2M0040120D的栅极允许最大电压为-10 V/25 V,通常为了防止栅极误导通，增强栅极的鲁棒性，加快关断速度，会采取负压关断的方式，但SiC MOSFET的负压承受能力较弱，因此需要添加额外的栅极籍位保护，以防止击穿栅极氧化层。同时，C2M0040120D的导通电阻Rm与驱动电压成反比关系，与IGBT的Uσ类似，因此通常当驱动电压达到18V以上时才会具备更好的损耗特性。并且，C2M0040120D的栅极阈值电压U仅为2.6V，且呈负温度系数，如图1所示，因此在芯片结温T升高的情况下，桥臂串扰极易导致其误触发，选择合理的开通及关断电压是设计驱动电路中重要的一步。
对于驱动功率，栅极驱动芯片所能提供的驱动电流会直接影响开关速度，以SiC MOSFET为例，峰值驱动电流及驱动功率计算如下：
由上述对比分析可知,SiC MOSFET驱动电路设计中，驱动电压、驱动功率、驱动延时及驱动系统的功耗是影响其开关动态性能的主要因素。
3、SiC MOSFET驱动电路设计
驱动电路的设计中首先需要考虑的是驱动电压的选取问题。根据上节分析和24V辅助电源系统的实际情况，选择开启电压18.9V和关断电压-5.1V，负压由无源稳压二极管产生。选用1EDI20N12AF作为栅极驱动芯片，该芯片是一款无磁芯变压器隔离的单通道MOSFET和GaN驱动芯片，初、次级能够实现1200V的磁隔离，并且最大能够实现4A轨到轨输出电流，驱动延时相比同等隔离电压等级的光耦要低很多，采用PG-DSO-8-51标准封装，外围电路设计简单。驱动电路原理图如图2所示。
为增强电路安全性，在驱动电路系统的PWM输入前级加入了逻辑门电平转换芯片，可通过配置DSP的TZ错误联防功能，实现对后级电路的保护。芯片的逻辑输入端IN+电压与逻辑电源端VCC1的供电电压保持一致，驱动电路系统见3。
在SiC MOSFET驱动电路设计中，驱动能力的核算即驱动芯片与开关管的匹配问题是设计过程中的关键，且为了保证电路的安全可靠,还需要核算芯片的功耗和结温等参数。
3.1驱动能力参数计算
驱动芯片与MOSFET的匹配主要取决于驱动电压与芯片供电电压的匹配和驱动功率的相互匹配，而驱动功率直接体现为驱动电流的大小。图4为SiC MOSFET的内部等效模型，从SiC MOSFET的物理模型出发，可见驱动电流i主要由两部分构成：
根据1EDIN12AF的器件手册，在输出侧供电电压U∞=15V时，其高电平输出峰值电流可达到4A，满足C2M0040120D所需驱动电流。
3.2驱动功耗及设计选型
功率变换器的设计过程是一个包含电热磁耦合的设计过程。在变换器硬件参数设计层面，满足电气指标的同时，同样需要考虑热指标和EMC等问题是否满足设计要求。热设计同样也是驱动电路设计中需要着重考虑的因素。驱动芯片的驱动功耗是需要着重考虑的静态热参数，功耗直接影响的是驱动芯片的结温升高，在驱动设计时，如不考虑芯片功耗问题，使其工作在非允许工况下，很容易烧毁驱动芯片，造成不必要的损失。驱动芯片的功耗主要由输入功耗和输出功耗组成。而驱动芯片的输入功耗主要由静态电流决定：
3.3栅极串扰及箝位保护
在全桥电路应用中，由于SiC MOSFET特性参数的不同，其栅极阈值电压和栅极电压可承受极限值相比Si MOSFET和SIIGBT都较低，在高频开关状态下，漏源极的电压变化会在反馈电容上产生反馈电流，这样与栅极电阻回路会产生压降，若此值高于其栅极阈值电压会容易导致SiC MOSFET的误导通，且存在负压击穿的危险。对于栅极误导通，通常采取的方案为给驱动电路电源提供一定负电压，防止同桥臂SiC MOSFET在高速开关状态切换过程中误导通，造成直通。但由于SiC MOSFET的负压承受能力较弱，同桥臂开关管在高速互补导通开关状态下，桥臂中点电位在正、负母线电压之间切换，换流过程中，反馈电容的放电电流会流入栅极阻抗网络，导致开关管栅极负压击穿。因此，需要加入栅极籍位保护电路，以防止串扰带来的负压击穿危害，这是
5、结 论
根据所分析SiC MOSFET与SiIGBT由于参数特性的不同对驱动电路提出的要求，设计并搭建了一套采用1EDI20N12AF无磁芯变压器隔离的SiC MOSFET驱动电路。详述了在驱动电路设计中，驱动芯片选型与SiC MOSFET所需要进行的参数匹配设计问题，实验结果验证了所设计驱动电路的合理性，栅极有源籍位电路的加入减少了在全桥电路应用中的桥臂串扰问题，能够有效改善同桥臂开关管在开关过程中造成的栅源极振荡，为SiC MOSFET驱动电路设计提供了新的思路和方法。
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