王文月，牛萍娟

（1.天津工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院，天津300000；2.天津工業(yè)大學 電子與信息工程學院，天津300000）

近些年，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，航空、電動汽車、新能源發(fā)電及石油鉆井等領(lǐng)域?qū)﹄娏﹄娮幼儞Q器提出更高的要求，即實現(xiàn)高壓、高頻、高功率密度[1]。因此以SiC MOSFET為代表的寬禁帶半導體器件因其高開關(guān)速度、高開關(guān)頻率及高熱導率等[2-5]，受到人們廣泛關(guān)注。然而隨著SiC MOSFET開關(guān)頻率及速度提高，電力電子變換器受電路中寄生參數(shù)影響加劇，關(guān)斷瞬態(tài)電壓尖峰更為嚴重。瞬態(tài)電壓的尖峰不僅危及開關(guān)管的安全，也會降低電力電子變換器的功率密度，加劇電力電子變換器電磁干擾[6-8]。目前現(xiàn)有抑制電壓尖峰方法大多犧牲了開關(guān)速度，從而影響SiC MOSFET開關(guān)損耗及變換器效率等。因此，本文在分析電壓尖峰產(chǎn)生原理基礎(chǔ)上，在注入柵極電流抑制電壓尖峰前提下，提出了一種在柵源極增加有源箝位電路的改進驅(qū)動方法，改進后的驅(qū)動電路具有抑制尖峰效果好、開關(guān)損耗較小、控制方法簡單特點。本文首先分析瞬態(tài)電壓尖峰產(chǎn)生原理，其次分析了改進驅(qū)動電路工作原理，最后在雙脈沖測試平臺驗證了該改進驅(qū)動電路的實用性。

1 SiC MOSFET瞬態(tài)電壓尖峰產(chǎn)生原理

為了分析SiC MOSFET瞬態(tài)電壓尖峰產(chǎn)生原理，采用如圖1所示測試電路，圖中：Vdc直流母線電壓，R驅(qū)動電阻，C支撐電容，L負載電感，SiC MOSFET及SiC二極管D1，考慮SiC MOSFET關(guān)鍵寄生參數(shù)為：柵極驅(qū)動電阻R1，柵極引腳封裝電感Lg，源極引腳封裝電感Ls，漏極引腳封裝電感Ld。為了方便分析，Lg、Ls與Ld分別為SiC MOSFET各引腳封裝電感與相連接引線電感之和。與此同時，根據(jù)SiC MOSFET關(guān)斷特性，將關(guān)斷過程分為4個階段[9]，圖2為關(guān)斷過程示意圖。

圖1 測試電路

圖2 SiC MOSFET關(guān)斷過程

SiC MOSFET關(guān)斷過程，[t0，t1]階段，驅(qū)動電壓為低電平，輸入電容通過驅(qū)動電阻R和源極電感Ls放電，此過程漏極電流id和漏源極電壓Vds基本不變，柵源極電壓Vgs下降。

[t1，t2]階段，漏極電流id與柵源極電壓Vgs基本保持不變，漏源極電壓Vds一直上升至母線電壓Vdc。

[t2，t3]階段，漏極電流id下降，續(xù)流二極管D1開始正向?qū)?，負載電流從SiC MOSFET向續(xù)流二極管轉(zhuǎn)移，柵源極電壓Vgs開始下降至開啟電壓Vth，SiC MOSFET開始關(guān)斷，漏極電流id降為0，在此階段由于電流變化率快，在回路寄生電感Ls與Ld上產(chǎn)生壓降，這部分壓降加在SiC MOSFET漏源極兩端，產(chǎn)生電壓尖峰。基于基爾霍夫電壓定律可知，Vds（t）+（Ls+Ld）did（t）/dt=Vdc＋VD1（t）。忽略二極管正向?qū)妷海贸觯篤ds（t）-Vdc=-（Ls+Ld）did（t）/dt，因此電壓尖峰Vp=-（Ls+Ld）did（t）/dt，其中did（t）/dt可以用式子did（t）/dt≈iggfs/Cgs表示[10]。

[t3，t4]階段，柵源極電壓Vgs降至低電平，SiC MOSFET完全關(guān)斷。

2 改進驅(qū)動電路工作原理

由分析可知，抑制瞬態(tài)電壓尖峰問題最傳統(tǒng)的抑制方法是增加驅(qū)動電阻、增加緩沖電路[11-12]和優(yōu)化器件封裝結(jié)構(gòu)及功率回路寄生參數(shù)[13]。增加驅(qū)動電阻，能夠抑制SiC MOSFET尖峰問題，但同時會增加開關(guān)過程損耗。增加緩沖電路對關(guān)斷電壓尖峰有好的抑制效果，但由于緩沖電路存在無源器件會帶來額外損耗。優(yōu)化器件封裝結(jié)構(gòu)成本較高且一般耗時比較長，PCB布局優(yōu)化則需要考慮大量的因素。另一類主要是采用新型的驅(qū)動電路進行電壓尖峰抑制，該方法往往成本較高、控制復雜、實現(xiàn)難度大[14]。

圖3 改進驅(qū)動電路原理

綜上所述，為了盡可能不影響SiC MOSFET開關(guān)速度、增大器件開關(guān)損耗。本文基于有源箝位電路與注入柵極電流抑制電壓尖峰[10]方法，提出一種在柵源極通過控制三極管開通與關(guān)斷的輔助之路，注入柵極電流方法對瞬態(tài)電壓進行了抑制。

該改進的驅(qū)動電路工作原理如圖3所示：經(jīng)過第1節(jié)的分析可知，在SiC MOSFET關(guān)斷過程（[t2，t3]階段），可以通過減小ig進而改變did（t）/dt來抑制開關(guān)過程電壓的尖峰。因此可將注入柵極電流抑制電壓尖峰與有源箝位電路結(jié)合，在SiC MOSFET器件關(guān)斷電壓尖峰產(chǎn)生的階段對其進行抑制。首先有源箝位電路中分壓檢測電路根據(jù)柵源極獲取的電壓信號控制三極管Q1開通與關(guān)斷，Q1開通時，外接電源對電容充電，三極管Q2開通之前控制時間由電容充電時間決定；Q2開通，外接電源對柵極電流進行注入，進而減小ig，減小did（t）/dt進而抑制電壓尖峰。Q1關(guān)斷時，Q1控制Q2也隨之關(guān)斷。此改進驅(qū)動方法無需產(chǎn)生單獨控制脈沖，降低了電路控制復雜度。

3 實驗分析

為了對抑制瞬態(tài)電壓尖峰的改進驅(qū)動電路有效性及實用性進行驗證，搭建了雙脈沖測試平臺，其電路具體原理如圖1所示，選用科瑞C2M0080120D型號SiC MOSFET和C4D20120型號SiC二極管。測試電路具體參數(shù)為：直流母線電壓Vdc=400V、驅(qū)動電阻R=10Ω、負載電感L=500uH、開關(guān)頻率100kHz。改進驅(qū)動電路如圖3所示，具體設(shè)計參為：R2=3kΩ，R3=10kΩ，C=1nF，R4=1Ω，R5=84.5kΩ，Vcc=12V，R6=6.3Ω。

圖4-圖6，分別給出了傳統(tǒng)采用RCD抑制電壓尖峰波形、典型設(shè)計驅(qū)動電路抑制電壓尖峰波形及本文所提出的改進驅(qū)動電路抑制電壓尖峰波形。從實驗結(jié)果分析可知，本文提出的改進驅(qū)動電路與傳統(tǒng)及典型的抑制電壓尖峰方法相比，關(guān)斷過程電壓尖峰的抑制效果相當。但是采用RCD吸收電路會使器件開關(guān)過程產(chǎn)生額外損耗，導致關(guān)斷損耗增大。典型驅(qū)動電路通過控制MOSFET開通與關(guān)斷的輔助之路完成柵極電流注入進而抑制了電壓尖峰，該方法由于采用MOSFET控制元件，需單獨控制信號。因此基于以上所述，本文通過對驅(qū)動電路改進，如表1所示，實現(xiàn)了對電壓尖峰有效抑制，且采用改進控制三極管的輔助支路結(jié)構(gòu)相對簡單。

圖4 傳統(tǒng)抑制電壓尖峰方法波形

4 結(jié)束語

本文所提出的改進驅(qū)動電路設(shè)計，將有源箝位電路與注入柵極電流抑制電壓尖峰方法進行結(jié)合，通過箝位電路中分壓檢測電路檢測柵源極電壓信號控制三極管導通與關(guān)斷，進而將電流注入到柵極，在犧牲較少損耗、無需產(chǎn)生單獨控制信號的情況下，對電壓尖峰進行有效抑制，最后，通過實驗驗證了該改進驅(qū)動電路的有效性。

圖5 典型抑制電壓尖峰方法波形

圖6 改進驅(qū)動電路抑制電壓尖峰方法波形

表1 不同抑制電壓尖峰方法對比