改善SiC MOSFET开关特性的有源驱动电路研究

卢乙，李先允，王书征，何鸿天，周子涵

（南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京 211167）

经过几十年的发展，硅（silicon，Si）功率器件已经达到其理论极限，无法满足日益增长的电力电子应用需要，与Si功率器件相比，碳化硅（sili⁃con carbide，SiC）功率器件具有更高的击穿电场强度、更高的工作温度和更高的工作频率。因此，以SiC MOSFET为代表的SiC功率器件正替代Si MOSFET，被广泛应用于电机驱动器，光伏逆变器和变压器等设备中[1-3]。

但是SiC MOSFET的过快开关速度会引起高di/dt和dU/dt，同时由于电路中寄生电感和寄生电阻等参数的存在，使得SiC MOSFET在开关过程中容易发生电流、电压过冲和震荡，这会产生额外的开关损耗，甚至造成器件损坏。可以通过增加驱动电阻阻值和增加吸收电路来解决上述问题，但是驱动电阻阻值的增加会减缓器件的开关速度，增加开关时间和开关损耗，另外，吸收电路中额外增加的电阻、电容等器件会产生额外的损耗。因此，越来越多的研究人员将研究方向转为驱动侧，希望通过使用有源驱动技术，在牺牲较小开关损耗的条件下，抑制SiC MOSFET开关过程中的电流、电压过冲和振荡[4-6]。

本文首先对SiC MOSFET的开关过程进行详细分析，得出电流、电压过冲和振荡的产生机理，并针对影响过冲和振荡的关键因素，分别提出了电流注入型、变电压型和变电阻型有源驱动电路（active gate driver，AGD），然后通过仿真验证了各有源驱动电路的有效性，最后搭建了实验平台，对所提出的变电压型有源驱动电路进行了实验验证。

1 SiC MOSFET开关过程

图1 测试电路Fig.1 Test circuit

图2为SiC MOSFET开通过程中驱动电压UG，栅源极电压Ugs，漏极电流id和漏源极电压Uds的典型波形。

从图2可以看出，SiC MOSFET的开通过程可以分为4个阶段。

图2 SiC MOSFET开通过程波形Fig.2 Waveforms of SiC MOSFET turn-on process

阶段一[t0—t1]：t0时刻，驱动电压UG从Uee阶跃至Ucc，Ugs开始缓慢上升，该阶段内器件始终处于关断状态。

阶段二[t1—t2]：t1时刻，Ugs上升至阈值电压Uth，器件开始导通，负载电流流经SiC MOSFET，漏极电流id开始上升，可由下式表示：

式中：gfs为SiC MOSFET的跨导。

当id上升至负载电流iDD时，由于续流二极管中储存电荷的存在，其会进入反向恢复过程并产生反向恢复电流，该电流最大值irr-max表达式如下式所示：

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式中：Qrr为反向恢复电荷；S为软度因子。did/dt可由下式表示：

由于反向恢复电流的存在，id会继续增加至id-peak，如下式所示：

该阶段内id的变化会在回路寄生电感上产生压降，引起器件漏源极电压Uds的下降，如下式所示：

阶段三[t2—t3]：器件进入米勒平台，Ugs保持为米勒电压Umiller不变，Uds迅速下降至0，id从id-peak下降至iDD并保持不变。

阶段四[t3—t4]：Ugs从Umiller上升至Ucc，id和Uds均保持不变，器件完全导通。

图3为SiC MOSFET关断过程中驱动电压UG，栅源极电压Ugs，漏极电流id和漏源极电压Uds的典型波形。

图3 SiC MOSFET关断过程波形Fig.3 Waveforms of SiC MOSFET turn-off process

从图3可以看出，SiC MOSFET的关断过程可以分为4个阶段。

阶段五[t5—t6]：t5时刻，UG从Ucc阶跃至Uee，Ugs逐渐下降，器件始终处于导通状态。

阶段七[t7—t8]：续流二极管于t7时刻开始阻断电压，负载电流开始流经续流二极管，id逐渐下降至0。电流的变化会在寄生电感上产生压降，并在SiC MOSFET上产生额外应力，使Uds产生电压过冲，由式（5）可知，该电压过冲Uos可以表示为

阶段八[t8—t9]：Ugs由Uth下降至0，由于电路中杂散电阻的存在，Uds会发生振荡，可由下式表示：

其中

2 有源驱动电路

由第1节的分析可知，在SiC MOSFET的开通过程阶段二中，由于续流二极管中恢复电流的存在，漏极电流id会发生过冲，由式（2）可知，该电流过冲与did/dt有关，通过减小did/dt可以抑制电流过冲，又由式（3）可知，通过减小栅极电流ig、驱动电压UG或增加驱动电阻Rg可以减小did/dt，从而抑制电流过冲。在SiC MOSFET的关断过程阶段七中，id的快速变化会在SiC MOSFET上产生额外应力，同时又由于杂散电阻的存在，Uds会发生过冲和振荡，由式（6）和式（7）可知，通过减小did/dt可以抑制电压过冲和振荡，和开通过程相同，通过减小ig，UG或增加Rg可以减小did/dt，从而抑制电压过冲和振荡。

基于上述分析，本文分别设计了电流注入型，变电压型和变电阻型有源驱动电路，如图4～图7所示，能够分别在SiC MOSFET的开关过程中改变器件的栅极电流ig、驱动电压UG和驱动电阻Rg，从而抑制器件开关过程中的电流、电压过冲和振荡，下面分别进行描述。

图4 电流注入型有源驱动电路框图Fig.4 Schematic of current-injected AGD

2.1 电流注入型有源驱动电路

图4所示为所提电流注入型有源驱动电路框图，通过电压采样电路检测器件的栅源极电压Ugs，使脉冲产生电路能够在器件开关的不同阶段内产生不同的控制信号，控制电流注入电路能够在器件开关的阶段二和阶段七内向器件栅极注入电路，从而减小器件栅极电流ig，抑制开关过程的电流、电压过冲和振荡。

2.2 变电压型有源驱动电路

图5所示为所提变电压型有源驱动电路框图，其中，Ucc=20 V，Ucc1=5 V，Uee=Uee1=0 V，通过电压采样电路，使脉冲产生电路在不同的开关阶段中产生不同的触发信号，控制开关管Q3和Q4的通断，以改变器件的开关过程的驱动电压。图6所示为该有源驱动电路的不同工作状态，在器件开通过程非阶段二内，开关管Q4导通，Q3关断，驱动电压为20 V，阶段二内，开关管Q4关断，Q3导通，此时，驱动电压由20 V降至15 V，抑制器件开通过程的电流过冲。在器件关断过程非阶段七内，开关管Q3导通，Q4关断，驱动电压为-5 V，阶段七内，Q3关断，Q4导通，此时驱动电压上升至0 V，抑制器件关断过程中的电压过冲和振荡。

图5 变电压型有源驱动电路框图Fig.5 Schematic of variable-voltage AGD

图6 变电压型有源驱动电路的不同工作状态Fig.6 Different working states of variable-voltage AGD

2.3 变电阻型有源驱动电路

图7为所提变电阻型有源驱动电路框图，通过电压检测电路，使脉冲产生电路在开关过程的不同阶段产生不同的控制信号，调节器件的栅极驱动电阻。图8为该有源驱动电路的不同工作状态，在器件开关过程的阶段二和阶段七内，开关管Q3由导通状态转为关断状态，此时驱动电阻由Rg1单独驱动变为Rg1和Rg2串联驱动，驱动电阻阻值增加，从而抑制器件开关过程的电流、电压过冲和振荡。

图7 变电阻型有源驱动电路框图Fig.7 Schematic of variable-resistance AGD

图8 变电阻型有源驱动电路的不同工作状态Fig.8 Different working states of variable-resistance AGD

2.4 仿真验证

采用LTspice仿真软件分别对提出的三种有源驱动电路进行仿真验证，仿真结果如图9和图10所示，从图9和图10可以看出，与传统驱动电路相比，所提的电流注入型、变电压型和变电阻型有源驱动电路均可以有效抑制器件开关过程中的电流、电压过冲和振荡。其中，与传统驱动电路相比，电流注入型有源驱动电路降低了16.2%的电流过冲和10.6%的电压过冲，变电压有源驱动电路降低了10.7%的电流过冲和9.6%的电压过冲，变电阻有源驱动电路降低了25.9%的电流过冲和15.9%的电压过冲。可以看出，变电阻有源驱动电路对电流、电压过冲和振荡的抑制效果最明显，但是其对器件开关速度的影响也最大。

图9 不同驱动电路开通过程id波形Fig.9 id waveforms of different drive circuits

图10 不同驱动电路关断过程Uds波形Fig.10 Uds waveforms of different drive circuits

3 实验验证

根据图5所示的变电压型有源驱动电路，搭建实验平台进行实验验证，并与传统驱动电路进行对比，实验结果如图11和图12所示。

从图11和图12可得，与传统驱动电路相比，所提出的变电压型有源驱动电路可以有效抑制器件开关过程中的电流、电压过冲和振荡，其中，开通电流过冲由17.1 A降低至15.7 A，降低了约8.2%，振荡时间由270 ns降低至60 ns，关断电压过冲由530 V下降至490 V，降低了约7.5%，振荡时间由210 ns降至80 ns，与仿真结果相近，证明了所设计变电压有源驱动电路的实用性。

图11 不同驱动电路开通过程波形Fig.11 Turn-on waveforms of different drive circuits

图12 不同驱动电路关断过程波形Fig.12 Turn-off waveforms of different drive circuits

图13为两种实验条件下器件的开关损耗，从图13可得，与传统驱动电路相比，所提出的变电压型有源驱动电路增加了16.6%的开关损耗。

图13 不同驱动电路开关损耗Fig.13 Switching losses of different drive circuits

4 结论

本文首先对SiC MOSFET的开关过程进行详细分析，得出器件开关过程中电流、电压过冲和振荡的产生机理，并针对影响过冲和振荡的关键参数，分别提出了电流注入型、变电压型和变电阻型有源驱动电路，然后通过LTspice仿真软件验证了各有源驱动电路的有效性，最后对所提变电压型有源驱动电路进行实验验证。实验结果表明，与传统驱动电路相比，所提变电压型有源驱动电路能够在牺牲少量开关损耗的前提下，有效抑制器件开关过程中的电流、电压过冲和振荡。