【原】北京交通大学邵天骢、郑琼林 等：基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计

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CES Conference

目前碳化硅（SiC）MOSFET 大多沿用Si MOSFET 和IGBT 的驱动设计方法。然而，由于SiC MOSFET 相比Si 器件具有更高的开关速度，因而栅极内阻、驱动回路电感和功率回路电感导致的栅源电压干扰情况也值得探索。

该文分析栅源电压干扰产生的过程，进而归纳提炼出一种基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET 驱动参数标幺化设计方法。从开关结电容的等效电路出发，推导出功率回路和驱动回路的传递函数，基于驱动和功率双回路传递函数，研究揭示栅源电压的干扰动态响应机理。进而，引入标幺化的参数表达形式，以标准量化驱动参数对于栅源电压干扰传导路径的影响，提出基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET 驱动设计原则。最后，搭建双脉冲实验平台，验证该驱动设计原则的合理性。

团队介绍

邵天骢

1990年出生，博士，讲师，研究方向为宽禁带半导体功率器件驱动与保护、新能源变流器运行控制。

郑琼林

1964年出生，教授，博士生导师，研究方向为轨道交通牵引供电与交流传动、高性能低损耗电力电子系统、光伏发电并网与控制、电力有源滤波与电能质量。

研究背景

以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体器件为电力电子领域的技术革新提供了契机。由于宽禁带材料的使用，功率半导体器件可以工作在更高电压、更快频率下。然而，在实际应用中，更高的开关速度造成桥臂结构中的两个器件之间相互干扰，引发的栅源电压干扰问题不可忽视。

若无法提供足够稳定的栅极电压将导致系统降频工作，限制变换器系统的进一步高频化和小型化。然而，目前SiC MOSFET 大都沿用Si MOSFET 和IGBT 的驱动设计方法。为从驱动设计的角度有效防治栅源电压干扰，首先需要探索掌握其产生机理。

论文所解决的问题及意义

复杂的机理模型考虑的电路杂散参数过多，引入过多非主导参数，无法明确关键杂散参数，因此也就无法避免繁杂的计算过程，不能有效地直接面向工程应用指导驱动设计。目前SiC MOSFET 大都沿用Si MOSFET 和IGBT 的驱动设计方法。由于SiC MOSFET 相比Si 器件具有更高的开关速度，因而栅极内阻、驱动回路电感和功率回路电感导致的栅源电压干扰情况，也值得探索。

论文方法及创新点

本文研究揭示栅源电压的干扰动态响应机理，进而引入标幺化的系统参数表达形式以标准量化驱动参数对于栅源电压干扰传导路径的影响，提出基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET 驱动设计原则。

首先，考虑高于开关频率的高频干扰分量，建立用于被动管栅源电压干扰分析的数学模型，预测计算栅源电压响应高频干扰的动态分量。为此，在驱动信号置零的前提下，等效简化电路，单独研究干扰源到栅源电压的干扰路径，得到简化电路。将功率回路与驱动回路等效拆解分别分析，可得栅源电压干扰动态模型的解析表达式。采用不同器件，无需重新独立构造干扰路径传递函数的特征多项式。

仅需要根据器件数据手册提供的暂态特性参数，在公式（1）的特征多项式中代入具体数值，即可获得干扰路径传递函数的特征多项式。为了便于分析功率回路、驱动回路不同参数的作用，有针对性的优化PCB设计和布局。

图1 桥臂结构中的等效电路

图2 驱动参数标幺化设计流程

结论

本文揭示了SiC MOSFET 栅源电压的干扰动态响应机理，进而引入标幺化的系统参数表达形式以标准量化驱动参数对于栅源电压干扰传导路径的影响，提出基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计原则。

对于特定的SiC MOSFET，根据数据手册提供的暂态特性参数，可获得栅源电压干扰的标准二阶系统，其阻尼比和无阻尼自振频率描述了干扰的动态特性，便于直观和迅速地判断系统元件参数的合理性，并能大量简化计算。采用解析公式的标幺化参数设计方法，在实际应用中可以作为设计参考，避免了重复的建模工作和繁杂的计算过程。经过理论分析和实验验证，提出了SiC MOSFET 驱动参数解析优化设计方法。

通过实测波形分析可知，栅源电压波形的变化特征符合理论分析的趋势，采用本文所揭示的SiC MOSFET驱动参数设计方法，进行驱动参数设计，一定程度上避免了过大栅源电压干扰的出现。

引用本文

邵天骢, 郑琼林, 李志君, 李虹, 刘建强. 基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计[J]. 电工技术学报, 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.

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210260