鐘志遠(yuǎn)，秦海鴻，袁 源，朱梓悅，謝昊天

(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

碳化硅MOSFET橋臂電路串?dāng)_抑制方法

鐘志遠(yuǎn)，秦海鴻，袁 源，朱梓悅，謝昊天

(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

與硅MOSFET相比，碳化硅MOSFET更加有利于滿足變換器高效率、高功率密度和高可靠性的發(fā)展要求。然而在橋臂電路中，上下管之間的串?dāng)_問(wèn)題嚴(yán)重限制了碳化硅MOSFET性能優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。本文在分析了串?dāng)_問(wèn)題產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用了一種改進(jìn)的基于PNP三極管的有源密勒箝位方法，對(duì)串?dāng)_進(jìn)行了有效抑制，并搭建了雙脈沖測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的方法能夠獲得較好的串?dāng)_抑制效果，對(duì)碳化硅MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

碳化硅;橋臂電路;串?dāng)_抑制;有源密勒箝位

1 引言

與傳統(tǒng)硅MOSFET相比，碳化硅MOSFET具有擊穿電壓高、工作頻率高和工作溫度高等優(yōu)點(diǎn)。為了滿足變換器高效率的發(fā)展要求，功率器件的開(kāi)關(guān)速度要盡可能提高，從而減小開(kāi)關(guān)損耗［1-3］。然而在橋臂電路中，要充分發(fā)揮碳化硅MOSFET的性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)保證變換器的可靠性，如何抑制上下管之間的相互干擾(簡(jiǎn)稱為串?dāng)_)成為電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一［4-6］。

串?dāng)_抑制方法可分為無(wú)源抑制方法和有源抑制方法［7-10］。無(wú)源抑制方法包括在MOSFET柵源極外并電容、增大驅(qū)動(dòng)電阻等，這些方法會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，效果并不理想。文獻(xiàn)［7］在MOSFET柵極增加了三極管，發(fā)生串?dāng)_時(shí)將柵極短接到源極，但柵極串?dāng)_電壓的精確檢測(cè)比較困難且過(guò)快的關(guān)斷速度會(huì)加劇柵極負(fù)向串?dāng)_電壓;文獻(xiàn)［10］通過(guò)增加輔助開(kāi)關(guān)管，提出了兩種有源密勒箝位驅(qū)動(dòng)電路，雖然獲得了較好的抑制效果，但是需要增加輔助MOSFET及其驅(qū)動(dòng)電路，大大增加了電路復(fù)雜性。

本文首先闡述了串?dāng)_問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)理，推導(dǎo)了串?dāng)_電壓與柵極驅(qū)動(dòng)電阻、漏源極電壓變化率等因素之間的數(shù)量關(guān)系;在此基礎(chǔ)上對(duì)PNP三極管有源密勒箝位驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了改進(jìn)，彌補(bǔ)了原有方法的不足，在不增加電路復(fù)雜性的情況下，有效減小了柵極串?dāng)_電壓的大小;并以Cree公司的碳化硅MOSFET CMF10120D為例，搭建了雙脈沖測(cè)試電路，對(duì)改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電路的串?dāng)_抑制效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 SiC MOSFET橋臂電路串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理

橋臂電路是一種常用的電路結(jié)構(gòu)，含有兩個(gè)串聯(lián)的互補(bǔ)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)器件，其主要應(yīng)用拓?fù)浒p向DC-DC變換器、半橋變換器和全橋變換器等。橋臂電路中開(kāi)關(guān)管在高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，上下管之間的串?dāng)_會(huì)變得比較嚴(yán)重。當(dāng)開(kāi)關(guān)管柵極串?dāng)_電壓超過(guò)門極開(kāi)啟電壓閾值，就會(huì)使處于關(guān)斷狀態(tài)的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，引發(fā)橋臂直通問(wèn)題［10］。此外，當(dāng)串?dāng)_電壓超過(guò)門極最大電壓范圍時(shí)還會(huì)導(dǎo)致器件失效，因此串?dāng)_問(wèn)題嚴(yán)重限制了碳化硅器件性能優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。圖1為下管開(kāi)通瞬間，上管串?dāng)_的產(chǎn)生機(jī)制原理圖，橋臂電路由上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管QH、QL及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，Cgd、Cgs、Cds分別為開(kāi)關(guān)管柵漏極、柵源極和漏源極寄生電容，Rg、Rgin分別為柵極驅(qū)動(dòng)電阻和柵極寄生電阻，VDC為直流母線輸入電壓。下管開(kāi)關(guān)過(guò)程中，上管等效電路如圖2所示。

圖1 下管開(kāi)通瞬間的串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)理Fig．1 Schematic of crosstalk in turn-on transient of lower switch

圖2 上管串?dāng)_電壓的等效分析電路圖Fig．2 Equivalent circuit for analysis of crosstalk voltage in upper switch

在圖1所示的下管開(kāi)通瞬態(tài)過(guò)程中，上管漏源極電壓開(kāi)始上升，此電壓變化率會(huì)在密勒電容Cgd_H上形成密勒電流，方向如圖2中箭頭所示，密勒電流大小為:

柵極電阻R_H(驅(qū)動(dòng)電阻Rg_H和內(nèi)部寄生電阻Rgin_H之和)與柵源極寄生電容Cgs組成并聯(lián)回路，密勒電流對(duì)該回路充電，根據(jù)基爾霍夫定律可得:

因此開(kāi)關(guān)管柵源極串?dāng)_電壓大小為:

式中，a為開(kāi)關(guān)管的漏源極電壓轉(zhuǎn)換速率dvds_H/dt; Cgd_H、Ciss_H分別為上管的密勒電容和輸入電容。

下管開(kāi)通瞬態(tài)過(guò)程中，上管串?dāng)_電壓為正值，如果這個(gè)串?dāng)_電壓的峰值超過(guò)了上管的開(kāi)啟電壓閾值，上管將會(huì)部分導(dǎo)通，上下管之間將流過(guò)直通電流，增加兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致器件失效［10］。

在下管關(guān)斷瞬態(tài)過(guò)程中，相似地，上管的柵源極會(huì)感應(yīng)出負(fù)向串?dāng)_電壓，這個(gè)負(fù)的串?dāng)_電壓不會(huì)導(dǎo)致直通問(wèn)題，但如果它的幅值超過(guò)了器件允許的柵極最大負(fù)偏壓，同樣會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管失效。在上管開(kāi)通和關(guān)斷瞬態(tài)過(guò)程中，也會(huì)對(duì)下管產(chǎn)生相同的串?dāng)_問(wèn)題。

式(3)表明，無(wú)論是開(kāi)通還是關(guān)斷瞬態(tài)，柵源極串?dāng)_電壓的大小與開(kāi)關(guān)管的漏源極電壓變化率dvds/dt成正比，即與開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度成正比。此外，串?dāng)_電壓與時(shí)間t成正比，而t的最大取值為開(kāi)關(guān)管漏源極電壓變化過(guò)程結(jié)束時(shí)刻，即此時(shí)串?dāng)_電壓達(dá)到最大值。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管的漏源極電壓近似線性變化，dvds/dt近似是恒定值，因而柵源極串?dāng)_電壓的最大值為:

式中，Cgd_H、Ciss_H和VDC通常是由所選器件和工作條件決定，以CMF10120D型號(hào)的碳化硅MOSFET為例，其柵極內(nèi)部寄生電阻、輸入電容和密勒電容分別為13.6Ω、928pF和7.45pF，圖3、圖4分別給出了VDC=600V時(shí)不同柵極驅(qū)動(dòng)電阻(漏源極電壓變化率取20V/ns)和漏源極電壓變化率(柵極驅(qū)動(dòng)電阻取10Ω)與柵源極串?dāng)_電壓的關(guān)系。

圖3 串?dāng)_電壓與柵極驅(qū)動(dòng)電阻關(guān)系(VDC=600V，dvds/dt=20V/ns)Fig．3 Relationship between crosstalk voltage and gate drive resistance(VDC=600V，dvds/dt=20V/ns)

從圖3、圖4中可以看出:

(1)在漏源極電壓變化率為20V/ns的情況下，驅(qū)動(dòng)電阻大于9.2Ω時(shí)，柵源極串?dāng)_電壓會(huì)超過(guò)CMF10120D的開(kāi)啟閾值電壓(2.5V)，導(dǎo)致橋臂上下管直通問(wèn)題;

(2)在驅(qū)動(dòng)電阻為10Ω時(shí)，漏源極電壓變化率大于19V/ns的情況下，柵源極串?dāng)_電壓同樣會(huì)超過(guò)開(kāi)啟閾值電壓，出現(xiàn)直通問(wèn)題。

圖4 串?dāng)_電壓與電壓變化率關(guān)系(VDC=600V，Rg=10Ω)Fig．4 Relationship between crosstalk voltage and dv/dt (VDC=600V，Rg=10Ω)

為充分考慮極限情況下柵極串?dāng)_電壓的影響因素，假設(shè)漏源極電壓變化率dvds/dt趨近于無(wú)窮大，則柵極串?dāng)_電壓的極限值為:

式(5)表明，CMF10120D在直流母線電壓達(dá)到331V時(shí)，其柵極串?dāng)_電壓的極限值就會(huì)達(dá)到開(kāi)啟閾值電壓(2.5V)，存在上下管直通的危險(xiǎn)，因而無(wú)法充分發(fā)揮碳化硅MOSFET的性能優(yōu)勢(shì)。

3 改進(jìn)的有源密勒箝位串?dāng)_抑制方法

傳統(tǒng)的有源箝位串?dāng)_抑制方法主要是在主開(kāi)關(guān)管柵源極并聯(lián)PNP三極管或增加輔助MOSFET，將主開(kāi)關(guān)管柵極箝位到地或負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)有源密勒箝位。這樣雖然可以較好地抑制柵源極正向串?dāng)_電壓，防止直通問(wèn)題，但是過(guò)快的關(guān)斷速度會(huì)加劇橋臂中另一開(kāi)關(guān)管的負(fù)向串?dāng)_電壓，而碳化硅MOSFET的最大允許負(fù)電壓較低，CMF10120D的負(fù)電壓極限值只有－5V，因此傳統(tǒng)的串?dāng)_抑制方法不適用于碳化硅MOSFET橋臂電路。本文使用了一種改進(jìn)的有源密勒箝位驅(qū)動(dòng)電路，在主開(kāi)關(guān)管柵源極兩端增加了輔助三極管和輔助電容，輔助三極管使用PNP三極管8550，電路圖如圖5所示，圖中只給出了上管的驅(qū)動(dòng)電路，下管驅(qū)動(dòng)電路與上管相似，其工作原理如下:

(1)在上管開(kāi)通過(guò)程中，輔助PNP三極管Qa_H的發(fā)射極電壓高于基極，使其處于關(guān)斷狀態(tài)，輔助電容沒(méi)有接入電路中，不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)電路的正常工作，避免了柵源極直接外并電容導(dǎo)致開(kāi)通損耗增大的問(wèn)題。

(2)上管關(guān)斷后，在下管開(kāi)通瞬間，上管中由于串?dāng)_產(chǎn)生的密勒電流流過(guò)驅(qū)動(dòng)電阻后，會(huì)使輔助PNP三極管Qa_H導(dǎo)通，輔助電容Ca_H接入電路，Ca_H的取值遠(yuǎn)大于Cgs(通常取Ca_H為Cgs的10倍以上)，為密勒電流提供了低阻抗放電回路，有效抑制上管柵源極正向串?dāng)_電壓。

(3)在下管關(guān)斷瞬間，主開(kāi)關(guān)管的柵源極電容放電，會(huì)在驅(qū)動(dòng)電阻上產(chǎn)生一個(gè)左負(fù)右正的電壓，同樣使下管的輔助PNP三極管Qa_L導(dǎo)通，下管的輔助電容Ca_L接入電路，此時(shí)能夠防止下管的關(guān)斷速度過(guò)快，避免了由于串?dāng)_導(dǎo)致的上管柵源極負(fù)向串?dāng)_電壓過(guò)大的問(wèn)題。

圖5 改進(jìn)的有源密勒箝位驅(qū)動(dòng)電路Fig．5 Modified active Miller clamp drive circuit

增加了輔助電容后，通過(guò)求解電路微分方程，可得出此時(shí)柵極串?dāng)_電壓Vgs_H的表達(dá)式為:

式中，A為輔助電容Ca和輸入電容Ciss之和。

圖6給出了正向串?dāng)_電壓與輔助電容容值的關(guān)系，柵極正向串?dāng)_電壓要小于開(kāi)關(guān)管的開(kāi)啟電壓閾值(2.5V)，為滿足正向串?dāng)_電壓要求，輔助電容應(yīng)該大于1.3nF，從圖6中可看出，輔助電容大于10nF之后，串?dāng)_電壓幅值基本保持不變，因此輔助電容選擇10nF。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)的有源密勒箝位驅(qū)動(dòng)電路的串?dāng)_抑制效果，搭建了碳化硅MOSFET雙脈沖測(cè)試電路，其原理圖如圖7所示。圖中，上管QH和下管QL均為CMF10120D型號(hào)的碳化硅MOSFET，上管為待測(cè)器件，上下管采用相同的柵極驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)驗(yàn)中僅給下管柵極兩個(gè)觸發(fā)信號(hào)，而上管的柵極觸發(fā)信號(hào)始終保持低電平，因而上管柵源極兩端電壓Vgs_H的變化完全是由下管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的串?dāng)_。保持功率電路不變，避免因PCB布局的不同而影響測(cè)量結(jié)果?？紤]到實(shí)驗(yàn)安全性，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的輸入電壓VDC分別取300V、400V和500V，柵極驅(qū)動(dòng)電阻Rg分別取6.8Ω、10Ω和20Ω。

圖6 正向串?dāng)_電壓與輔助電容容值的關(guān)系Fig．6 Relationship between positive crosstalk voltage and assisted capacitance

圖7 雙脈沖測(cè)試電路Fig．7 Double pulse test circuit

圖8給出了輸入電壓VDC=500V、驅(qū)動(dòng)電阻Rg=6.8Ω時(shí)基本驅(qū)動(dòng)電路的串?dāng)_測(cè)量波形，其中圖8 (a)為下管開(kāi)通瞬間上管的測(cè)量結(jié)果，圖8(b)為下管關(guān)斷瞬間上管的測(cè)量結(jié)果。圖中 Vgs_H、Vds_H和Ids_H分別為上管的柵源極電壓、漏源極電壓和漏極電流。從圖8(a)和圖8(b)中的Vgs_H波形可以看出，此時(shí)正向串?dāng)_電壓和負(fù)向串?dāng)_電壓分別為2V、－4.16V，已接近 CMF10120D的開(kāi)啟電壓閾值(2.5V)和柵極負(fù)電壓極限值(－5V)。

為明確實(shí)驗(yàn)測(cè)試中柵極串?dāng)_電壓的變化，圖9給出了不同輸入電壓與不同驅(qū)動(dòng)電阻下串?dāng)_電壓的測(cè)量結(jié)果。圖中Vgs_H(+)和Vgs_H(－)分別為下管開(kāi)通瞬間和下管關(guān)斷瞬間的上管柵極串?dāng)_電壓幅值。

從圖9中可看出輸入電壓對(duì)柵極串?dāng)_電壓的影響趨勢(shì)，保持驅(qū)動(dòng)電阻不變，隨著輸入電壓的增大，Vgs_H(+)和 Vgs_H(－)都相應(yīng)增大。圖 9中 Vgs_H(+)和 Vgs_H(－)都與驅(qū)動(dòng)電阻成反比關(guān)系，說(shuō)明增加驅(qū)動(dòng)電阻能夠減小串?dāng)_電壓，但是這種方法會(huì)降低碳化硅MOSFET的開(kāi)關(guān)速度，增加開(kāi)關(guān)損耗，因而簡(jiǎn)單增加驅(qū)動(dòng)電阻并不能較為理想地解決串?dāng)_問(wèn)題，不利于碳化硅MOSFET的高頻應(yīng)用。

圖10、圖11分別給出了輸入電壓VDC=500V、驅(qū)動(dòng)電阻Rg=6.8Ω、輔助電容值Ca=10nF時(shí)，改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路的串?dāng)_測(cè)量波形及串?dāng)_電壓測(cè)量結(jié)果。從圖11中可以看出，改進(jìn)的有源密勒箝位驅(qū)動(dòng)電路對(duì)串?dāng)_電壓的抑制效果非常顯著，輸入電壓為500V時(shí)，正向串?dāng)_電壓和負(fù)向串?dāng)_電壓分別為1.44V和－3.68V，分別比基本驅(qū)動(dòng)電路降低了28%和11%，有效降低了上下管直通的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免了負(fù)向串?dāng)_電壓過(guò)大而使開(kāi)關(guān)管失效的情況。

圖8 基本驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)量波形Fig．8 Measured waveforms of basic drive circuit

圖9 基本驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)量結(jié)果Fig．9 Measured results of basic drive circuit

圖10 改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)量波形Fig．10 Measured waveforms of modified drive circuit

圖11 改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)量結(jié)果Fig．11 Measured results of modified drive circuit

5 結(jié)論

本文對(duì)橋臂電路串?dāng)_問(wèn)題的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，對(duì)由輔助三極管構(gòu)成的傳統(tǒng)有源箝位驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了改進(jìn)，增加了輔助電容，對(duì)串?dāng)_電壓進(jìn)行抑制。最終采用碳化硅MOSFET CMF10120D搭建了雙脈沖測(cè)試電路平臺(tái)，對(duì)改進(jìn)的串?dāng)_抑制方法的實(shí)際效果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電路有效彌補(bǔ)了原有方法的不足，在有效抑制正向串?dāng)_電壓的同時(shí)，能夠防止開(kāi)關(guān)管關(guān)斷速度過(guò)快導(dǎo)致的負(fù)向串?dāng)_電壓超過(guò)門極負(fù)電壓極限而造成器件失效的情況，具有較高工程應(yīng)用價(jià)值。

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(，cont．on p.23)(，cont．from p.12)

Crosstalk suppression method of SiC MOSFET in phase-leg configuration

ZHONG Zhi-yuan，QIN Hai-hong，YUAN Yuan，ZHU Zi-yue，XIE Hao-tian
(Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Compared with silicon(Si)MOSFET，silicon carbide(SiC)MOSFET is more conducive to meet the requirements of power electronic converters towards high efficiency，high power density and high reliability．However，the crosstalk between the upper and lower switch limits the SiC MOSFET performance in phase-leg configuration．Based on analyses of crosstalk mechanism，this paper uses an improved method of active Miller clamp based on PNP transistor for crosstalk suppression．A double-pulse test prototype is also built to verify the theoretical explanation．As is shown by the experimental results，the improved method achieves good effect in crosstalk suppression and provides guide in design of gate driver for SiC MOSFET in phase-leg configuration circuit．

silicon carbide;phase-leg configuration;crosstalk suppression;active Miller clamp

TN713.4

:A

:1003-3076(2015)05-0008-05

2014-06-30

江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(ZAB11002-14)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開(kāi)放基金(kfjj20130213)資助項(xiàng)目

鐘志遠(yuǎn)(1990-)，男，山東籍，碩士研究生，從事功率變換技術(shù)的研究;秦海鴻(1977-)，男，江蘇籍，副教授，研究方向包括功率變換技術(shù)、電機(jī)控制。