- 頭條北京交大科研人員提出碳化硅MOSFET驅動設計的新方法2022-02-03 作者：邵天驄 鄭瓊林 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語目前碳化硅（SiC）MOSFET 大多沿用Si MOSFET 和IGBT 的驅動設計方法。然而，由于SiC MOSFET 相比Si 器件具有更高的開關速度，因而柵極內阻、驅動回路電感和功率回路電感導致的柵源電壓干擾情況也值得探索。該文分析柵源電壓干擾產生的過程，進而歸納提煉出一種基于干擾動態響應機理的SiC MOSFET 驅動參數標幺化設計方法。從開關結電容的等效電路出發，推導出功率回路和驅動回路的傳遞函數，基于驅動和功率雙回路傳遞函數，研究揭示柵源電壓的干擾動態響應機理。進而，引入標幺化的參數表達形式，以標準量化驅動參數對于柵源電壓干擾傳導路徑的影響，提出基于干擾動態響應機理的SiC MOSFET 驅動設計原則。最后，搭建雙脈沖實驗平臺，驗證該驅動設計原則的合理性。
團隊介紹
- 邵天驄，1990年出生，博士，講師，研究方向為寬禁帶半導體功率器件驅動與保護、新能源變流器運行控制。
- 鄭瓊林，1964年出生，教授，博士生導師，研究方向為軌道交通牽引供電與交流傳動、高性能低損耗電力電子系統、光伏發電并網與控制、電力有源濾波與電能質量。
?研究背景
以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導體器件為電力電子領域的技術革新提供了契機。由于寬禁帶材料的使用，功率半導體器件可以工作在更高電壓、更快頻率下。然而，在實際應用中，更高的開關速度造成橋臂結構中的兩個器件之間相互干擾，引發的柵源電壓干擾問題不可忽視。
若無法提供足夠穩定的柵極電壓將導致系統降頻工作，限制變換器系統的進一步高頻化和小型化。然而，目前SiC MOSFET 大都沿用Si MOSFET 和IGBT 的驅動設計方法。為從驅動設計的角度有效防治柵源電壓干擾，首先需要探索掌握其產生機理。
論文所解決的問題及意?義
復雜的機理模型考慮的電路雜散參數過多，引入過多非主導參數，無法明確關鍵雜散參數，因此也就無法避免繁雜的計算過程，不能有效地直接面向工程應用指導驅動設計。目前SiC MOSFET 大都沿用Si MOSFET 和IGBT 的驅動設計方法。由于SiC MOSFET 相比Si 器件具有更高的開關速度，因而柵極內阻、驅動回路電感和功率回路電感導致的柵源電壓干擾情況，也值得探索。
?論文方法及創新點
本文研究揭示柵源電壓的干擾動態響應機理，進而引入標幺化的系統參數表達形式以標準量化驅動參數對于柵源電壓干擾傳導路徑的影響，提出基于干擾動態響應機理的SiC MOSFET 驅動設計原則。
首先，考慮高于開關頻率的高頻干擾分量，建立用于被動管柵源電壓干擾分析的數學模型，預測計算柵源電壓響應高頻干擾的動態分量。為此，在驅動信號置零的前提下，等效簡化電路，單獨研究干擾源到柵源電壓的干擾路徑，得到簡化電路。將功率回路與驅動回路等效拆解分別分析，可得柵源電壓干擾動態模型的解析表達式。采用不同器件，無需重新獨立構造干擾路徑傳遞函數的特征多項式。
僅需要根據器件數據手冊提供的暫態特性參數，在公式（1）的特征多項式中代入具體數值，即可獲得干擾路徑傳遞函數的特征多項式。為了便于分析功率回路、驅動回路不同參數的作用，有針對性的優化PCB設計和布局。
圖1 橋臂結構中的等效電路
圖2 驅動參數標幺化設計流程
?結論
本文揭示了SiC MOSFET 柵源電壓的干擾動態響應機理，進而引入標幺化的系統參數表達形式以標準量化驅動參數對于柵源電壓干擾傳導路徑的影響，提出基于干擾動態響應機理的SiC MOSFET驅動設計原則。
對于特定的SiC MOSFET，根據數據手冊提供的暫態特性參數，可獲得柵源電壓干擾的標準二階系統，其阻尼比和無阻尼自振頻率描述了干擾的動態特性，便于直觀和迅速地判斷系統元件參數的合理性，并能大量簡化計算。
采用解析公式的標幺化參數設計方法，在實際應用中可以作為設計參考，避免了重復的建模工作和繁雜的計算過程。經過理論分析和實驗驗證，提出了SiC MOSFET 驅動參數解析優化設計方法。
通過實測波形分析可知，柵源電壓波形的變化特征符合理論分析的趨勢，采用本文所揭示的SiC MOSFET驅動參數設計方法，進行驅動參數設計，一定程度上避免了過大柵源電壓干擾的出現。
引用本文?
邵天驄， 鄭瓊林， 李志君， 李虹， 劉建強. 基于干擾動態響應機理的SiC MOSFET驅動設計[J]. 電工技術學報， 2021, 36(20): 4204-4214. Shao Tiancong, Zheng Trillion Q., Li Zhijun, Li Hong, Liu Jianqiang. SiC MOSFET Gate Driver Design Based on Interference Dynamic Response Mechanism. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(20): 4204-4214.
