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(tǒng)、光伏發(fā)電并網(wǎng)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(fā)的柵源電壓干擾問題不可忽視。

若無法提供足夠穩(wěn)定的柵極電壓將導致系統(tǒng)降頻工作，限制變換器系統(tǒng)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(shù)過多，引入過多非主導參數(shù)，無法明確關鍵雜散參數(shù)，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(chuàng)新點

本文研究揭示柵源電壓的干擾動態(tài)響應機理，進而引入標幺化的系統(tǒng)參數(shù)表達形式以標準量化驅動參數(shù)對于柵源電壓干擾傳導路徑的影響，提出基于干擾動態(tài)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(shù)學模型，預測計算柵源電壓響應高頻干擾的動態(tài)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(tài)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(shù)的特征多項式。

僅需要根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊提供的暫態(tài)特性參數(shù)，在公式（1）的特征多項式中代入具體數(shù)值，即可獲得干擾路徑傳遞函數(shù)的特征多項式。為了便于分析功率回路、驅動回路不同參數(shù)的作用，有針對性的優(yōu)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(shù)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(tài)響應機理，進而引入標幺化的系統(tǒng)參數(shù)表達形式以標準量化驅動參數(shù)對于柵源電壓干擾傳導路徑的影響，提出基于干擾動態(tài)響應機理的SiC MOSFET驅動設計原則。

對于特定的SiC MOSFET，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊提供的暫態(tài)特性參數(shù)，可獲得柵源電壓干擾的標準二階系統(tǒng)，其阻尼比和無阻尼自振頻率描述了干擾的動態(tài)特性，便于直觀和迅速地判斷系統(tǒng)元件參數(shù)的合理性，并能大量簡化計算。

采用解析公式的標幺化參數(shù)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(shù)解析優(yōu)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(shù)設計方法，進行驅動參數(shù)設計，一定程度上避免了過大柵源電壓干擾的出現(xiàn)。

引用本文?

邵天驄， 鄭瓊林， 李志君， 李虹， 劉建強. 基于干擾動態(tài)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.