改善SiC MOSFET開關(guān)特性的有源驅(qū)動電路研究

盧乙，李先允，王書征，何鴻天，周子涵

（南京工程學院 電力工程學院，江蘇 南京 211167）

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，硅（silicon，Si）功率器件已經(jīng)達到其理論極限，無法滿足日益增長的電力電子應(yīng)用需要，與Si功率器件相比，碳化硅（sili?con carbide，SiC）功率器件具有更高的擊穿電場強度、更高的工作溫度和更高的工作頻率。因此，以SiC MOSFET為代表的SiC功率器件正替代Si MOSFET，被廣泛應(yīng)用于電機驅(qū)動器，光伏逆變器和變壓器等設(shè)備中[1-3]。

但是SiC MOSFET的過快開關(guān)速度會引起高di/dt和dU/dt，同時由于電路中寄生電感和寄生電阻等參數(shù)的存在，使得SiC MOSFET在開關(guān)過程中容易發(fā)生電流、電壓過沖和震蕩，這會產(chǎn)生額外的開關(guān)損耗，甚至造成器件損壞?？梢酝ㄟ^增加驅(qū)動電阻阻值和增加吸收電路來解決上述問題，但是驅(qū)動電阻阻值的增加會減緩器件的開關(guān)速度，增加開關(guān)時間和開關(guān)損耗，另外，吸收電路中額外增加的電阻、電容等器件會產(chǎn)生額外的損耗。因此，越來越多的研究人員將研究方向轉(zhuǎn)為驅(qū)動側(cè)，希望通過使用有源驅(qū)動技術(shù)，在犧牲較小開關(guān)損耗的條件下，抑制SiC MOSFET開關(guān)過程中的電流、電壓過沖和振蕩[4-6]。

本文首先對SiC MOSFET的開關(guān)過程進行詳細分析，得出電流、電壓過沖和振蕩的產(chǎn)生機理，并針對影響過沖和振蕩的關(guān)鍵因素，分別提出了電流注入型、變電壓型和變電阻型有源驅(qū)動電路（active gate driver，AGD），然后通過仿真驗證了各有源驅(qū)動電路的有效性，最后搭建了實驗平臺，對所提出的變電壓型有源驅(qū)動電路進行了實驗驗證。

1 SiC MOSFET開關(guān)過程

圖1 測試電路Fig.1 Test circuit

圖2為SiC MOSFET開通過程中驅(qū)動電壓UG，柵源極電壓Ugs，漏極電流id和漏源極電壓Uds的典型波形。

從圖2可以看出，SiC MOSFET的開通過程可以分為4個階段。

圖2 SiC MOSFET開通過程波形Fig.2 Waveforms of SiC MOSFET turn-on process

階段一[t0—t1]：t0時刻，驅(qū)動電壓UG從Uee階躍至Ucc，Ugs開始緩慢上升，該階段內(nèi)器件始終處于關(guān)斷狀態(tài)。

階段二[t1—t2]：t1時刻，Ugs上升至閾值電壓Uth，器件開始導(dǎo)通，負載電流流經(jīng)SiC MOSFET，漏極電流id開始上升，可由下式表示：

式中：gfs為SiC MOSFET的跨導(dǎo)。

當id上升至負載電流iDD時，由于續(xù)流二極管中儲存電荷的存在，其會進入反向恢復(fù)過程并產(chǎn)生反向恢復(fù)電流，該電流最大值irr-max表達式如下式所示：

據(jù)廣西163家企業(yè)的問卷調(diào)查顯示，受銀行審批權(quán)上收影響，35.6%的企業(yè)認為銀行貸款耗時過長。部分企業(yè)反映從貸前辦理資產(chǎn)價值評估、貸中經(jīng)承辦行初審和上級行批準到最后放款，基本需要3個月甚至更長時間，期間若提供材料不全更是影響放款進度。如柳州市某科技集團有限公司2017年末申請一筆貸款，耗時3個月都不知是否獲批。廣西某水泥股份有限公司表示辦理銀行貸款時提交的材料較細，包括每一份原材料采購合同和發(fā)票等。

式中：Qrr為反向恢復(fù)電荷；S為軟度因子。did/dt可由下式表示：

由于反向恢復(fù)電流的存在，id會繼續(xù)增加至id-peak，如下式所示：

該階段內(nèi)id的變化會在回路寄生電感上產(chǎn)生壓降，引起器件漏源極電壓Uds的下降，如下式所示：

階段三[t2—t3]：器件進入米勒平臺，Ugs保持為米勒電壓Umiller不變，Uds迅速下降至0，id從id-peak下降至iDD并保持不變。

階段四[t3—t4]：Ugs從Umiller上升至Ucc，id和Uds均保持不變，器件完全導(dǎo)通。

圖3為SiC MOSFET關(guān)斷過程中驅(qū)動電壓UG，柵源極電壓Ugs，漏極電流id和漏源極電壓Uds的典型波形。

圖3 SiC MOSFET關(guān)斷過程波形Fig.3 Waveforms of SiC MOSFET turn-off process

從圖3可以看出，SiC MOSFET的關(guān)斷過程可以分為4個階段。

階段五[t5—t6]：t5時刻，UG從Ucc階躍至Uee，Ugs逐漸下降，器件始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。

階段七[t7—t8]：續(xù)流二極管于t7時刻開始阻斷電壓，負載電流開始流經(jīng)續(xù)流二極管，id逐漸下降至0。電流的變化會在寄生電感上產(chǎn)生壓降，并在SiC MOSFET上產(chǎn)生額外應(yīng)力，使Uds產(chǎn)生電壓過沖，由式（5）可知，該電壓過沖Uos可以表示為

階段八[t8—t9]：Ugs由Uth下降至0，由于電路中雜散電阻的存在，Uds會發(fā)生振蕩，可由下式表示：

其中

2 有源驅(qū)動電路

由第1節(jié)的分析可知，在SiC MOSFET的開通過程階段二中，由于續(xù)流二極管中恢復(fù)電流的存在，漏極電流id會發(fā)生過沖，由式（2）可知，該電流過沖與did/dt有關(guān)，通過減小did/dt可以抑制電流過沖，又由式（3）可知，通過減小柵極電流ig、驅(qū)動電壓UG或增加驅(qū)動電阻Rg可以減小did/dt，從而抑制電流過沖。在SiC MOSFET的關(guān)斷過程階段七中，id的快速變化會在SiC MOSFET上產(chǎn)生額外應(yīng)力，同時又由于雜散電阻的存在，Uds會發(fā)生過沖和振蕩，由式（6）和式（7）可知，通過減小did/dt可以抑制電壓過沖和振蕩，和開通過程相同，通過減小ig，UG或增加Rg可以減小did/dt，從而抑制電壓過沖和振蕩。

基于上述分析，本文分別設(shè)計了電流注入型，變電壓型和變電阻型有源驅(qū)動電路，如圖4～圖7所示，能夠分別在SiC MOSFET的開關(guān)過程中改變器件的柵極電流ig、驅(qū)動電壓UG和驅(qū)動電阻Rg，從而抑制器件開關(guān)過程中的電流、電壓過沖和振蕩，下面分別進行描述。

圖4 電流注入型有源驅(qū)動電路框圖Fig.4 Schematic of current-injected AGD

2.1 電流注入型有源驅(qū)動電路

圖4所示為所提電流注入型有源驅(qū)動電路框圖，通過電壓采樣電路檢測器件的柵源極電壓Ugs，使脈沖產(chǎn)生電路能夠在器件開關(guān)的不同階段內(nèi)產(chǎn)生不同的控制信號，控制電流注入電路能夠在器件開關(guān)的階段二和階段七內(nèi)向器件柵極注入電路，從而減小器件柵極電流ig，抑制開關(guān)過程的電流、電壓過沖和振蕩。

2.2 變電壓型有源驅(qū)動電路

圖5所示為所提變電壓型有源驅(qū)動電路框圖，其中，Ucc=20 V，Ucc1=5 V，Uee=Uee1=0 V，通過電壓采樣電路，使脈沖產(chǎn)生電路在不同的開關(guān)階段中產(chǎn)生不同的觸發(fā)信號，控制開關(guān)管Q3和Q4的通斷，以改變器件的開關(guān)過程的驅(qū)動電壓。圖6所示為該有源驅(qū)動電路的不同工作狀態(tài)，在器件開通過程非階段二內(nèi)，開關(guān)管Q4導(dǎo)通，Q3關(guān)斷，驅(qū)動電壓為20 V，階段二內(nèi)，開關(guān)管Q4關(guān)斷，Q3導(dǎo)通，此時，驅(qū)動電壓由20 V降至15 V，抑制器件開通過程的電流過沖。在器件關(guān)斷過程非階段七內(nèi)，開關(guān)管Q3導(dǎo)通，Q4關(guān)斷，驅(qū)動電壓為-5 V，階段七內(nèi)，Q3關(guān)斷，Q4導(dǎo)通，此時驅(qū)動電壓上升至0 V，抑制器件關(guān)斷過程中的電壓過沖和振蕩。

圖5 變電壓型有源驅(qū)動電路框圖Fig.5 Schematic of variable-voltage AGD

圖6 變電壓型有源驅(qū)動電路的不同工作狀態(tài)Fig.6 Different working states of variable-voltage AGD

2.3 變電阻型有源驅(qū)動電路

圖7為所提變電阻型有源驅(qū)動電路框圖，通過電壓檢測電路，使脈沖產(chǎn)生電路在開關(guān)過程的不同階段產(chǎn)生不同的控制信號，調(diào)節(jié)器件的柵極驅(qū)動電阻。圖8為該有源驅(qū)動電路的不同工作狀態(tài)，在器件開關(guān)過程的階段二和階段七內(nèi)，開關(guān)管Q3由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)，此時驅(qū)動電阻由Rg1單獨驅(qū)動變?yōu)镽g1和Rg2串聯(lián)驅(qū)動，驅(qū)動電阻阻值增加，從而抑制器件開關(guān)過程的電流、電壓過沖和振蕩。

圖7 變電阻型有源驅(qū)動電路框圖Fig.7 Schematic of variable-resistance AGD

圖8 變電阻型有源驅(qū)動電路的不同工作狀態(tài)Fig.8 Different working states of variable-resistance AGD

2.4 仿真驗證

采用LTspice仿真軟件分別對提出的三種有源驅(qū)動電路進行仿真驗證，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示，從圖9和圖10可以看出，與傳統(tǒng)驅(qū)動電路相比，所提的電流注入型、變電壓型和變電阻型有源驅(qū)動電路均可以有效抑制器件開關(guān)過程中的電流、電壓過沖和振蕩。其中，與傳統(tǒng)驅(qū)動電路相比，電流注入型有源驅(qū)動電路降低了16.2%的電流過沖和10.6%的電壓過沖，變電壓有源驅(qū)動電路降低了10.7%的電流過沖和9.6%的電壓過沖，變電阻有源驅(qū)動電路降低了25.9%的電流過沖和15.9%的電壓過沖。可以看出，變電阻有源驅(qū)動電路對電流、電壓過沖和振蕩的抑制效果最明顯，但是其對器件開關(guān)速度的影響也最大。

圖9 不同驅(qū)動電路開通過程id波形Fig.9 id waveforms of different drive circuits

圖10 不同驅(qū)動電路關(guān)斷過程Uds波形Fig.10 Uds waveforms of different drive circuits

3 實驗驗證

根據(jù)圖5所示的變電壓型有源驅(qū)動電路，搭建實驗平臺進行實驗驗證，并與傳統(tǒng)驅(qū)動電路進行對比，實驗結(jié)果如圖11和圖12所示。

從圖11和圖12可得，與傳統(tǒng)驅(qū)動電路相比，所提出的變電壓型有源驅(qū)動電路可以有效抑制器件開關(guān)過程中的電流、電壓過沖和振蕩，其中，開通電流過沖由17.1 A降低至15.7 A，降低了約8.2%，振蕩時間由270 ns降低至60 ns，關(guān)斷電壓過沖由530 V下降至490 V，降低了約7.5%，振蕩時間由210 ns降至80 ns，與仿真結(jié)果相近，證明了所設(shè)計變電壓有源驅(qū)動電路的實用性。

圖11 不同驅(qū)動電路開通過程波形Fig.11 Turn-on waveforms of different drive circuits

圖12 不同驅(qū)動電路關(guān)斷過程波形Fig.12 Turn-off waveforms of different drive circuits

圖13為兩種實驗條件下器件的開關(guān)損耗，從圖13可得，與傳統(tǒng)驅(qū)動電路相比，所提出的變電壓型有源驅(qū)動電路增加了16.6%的開關(guān)損耗。

圖13 不同驅(qū)動電路開關(guān)損耗Fig.13 Switching losses of different drive circuits

4 結(jié)論

本文首先對SiC MOSFET的開關(guān)過程進行詳細分析，得出器件開關(guān)過程中電流、電壓過沖和振蕩的產(chǎn)生機理，并針對影響過沖和振蕩的關(guān)鍵參數(shù)，分別提出了電流注入型、變電壓型和變電阻型有源驅(qū)動電路，然后通過LTspice仿真軟件驗證了各有源驅(qū)動電路的有效性，最后對所提變電壓型有源驅(qū)動電路進行實驗驗證。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)驅(qū)動電路相比，所提變電壓型有源驅(qū)動電路能夠在犧牲少量開關(guān)損耗的前提下，有效抑制器件開關(guān)過程中的電流、電壓過沖和振蕩。