*本論文摘要由PCIM官方授權(quán)發(fā)布

內(nèi)容摘要

每個(gè)功率開關(guān)都需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，這是必要的，但容易被忽視。柵極驅(qū)動(dòng)電路對(duì)功率器件的開關(guān)過程有著非常重要的影響，本文分析了驅(qū)動(dòng)電路的輸出能力和雜散參數(shù)這兩個(gè)參數(shù)。本文以 SiC MOSFET關(guān)斷過程為基礎(chǔ)，分析了與驅(qū)動(dòng)電路輸出能力和雜散參數(shù)相關(guān)的影響因素，并通過理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。此外，還列出了柵極驅(qū)動(dòng)器回路設(shè)計(jì)技巧，以提供一些建議。

引言

如今，隨著能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展，電動(dòng)汽車和可再生能源以其高效率、低污染的特點(diǎn)越來越受到人們的青睞[1]。在這些應(yīng)用中，功率開關(guān)是最重要的組件之一，功率開關(guān)的性能將決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。

柵極驅(qū)動(dòng)器電路是每個(gè)功率開關(guān)所必需的，柵極驅(qū)動(dòng)器的能力和性能對(duì)功率器件的性能，尤其是開關(guān)性能非常重要。

SiC MOSFET具有開關(guān)速度快、擊穿電壓高、開關(guān)損耗低和導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車和可再生能源領(lǐng)域[2]。然而，由于開關(guān)速度較快，較高的dv/dt和di/dt會(huì)對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)回路和功率回路雜散參數(shù)造成較嚴(yán)重的影響，包括擊穿、振蕩、超標(biāo)等[3-4]。

柵極驅(qū)動(dòng)器要實(shí)現(xiàn)更好的性能，有兩個(gè)要點(diǎn)。一個(gè)是輸出能力，另一個(gè)是雜散參數(shù)。本文首先介紹功率器件的基本開關(guān)過程，然后分析對(duì)于輸出能力和雜散參數(shù)的影響因素。

開關(guān)過程

圖1.a顯示了圖1.b中S2的關(guān)斷過程。

在t0-t1時(shí)，柵極充電速度會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器延遲時(shí)間，但不會(huì)影響開關(guān)性能。

在t1-t2階段，開關(guān)工作在線性區(qū)，vgs與vds和ids有關(guān)。這一過程可表示為方程(1)。這里的k與器件結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)。

（a）

（b）

圖1.S2的關(guān)斷過程

在t2-t3階段，開關(guān)工作在飽和區(qū)，vgs與ids的關(guān)系如式（2）所示。然而，如圖2所示，這一時(shí)期的vds受到兩個(gè)環(huán)路的限制，一個(gè)是柵極驅(qū)動(dòng)器環(huán)路，另一個(gè)是功率環(huán)路。更多細(xì)節(jié)將在論文全文中給出。

圖2.t2-t3期間vds的雙環(huán)限制

在t3-t4階段，vgs和ids下降，開關(guān)管通道仍然導(dǎo)通，vds在此階段沒有變化。t4-t5期間，vgs下降，開關(guān)管通道不再導(dǎo)通。

輸出能力

柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出能力需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行檢查，但這一點(diǎn)很容易被忽視，尤其是在參考原有的設(shè)計(jì)進(jìn)行新系統(tǒng)的更新設(shè)計(jì)時(shí)。

本節(jié)將介紹影響驅(qū)動(dòng)輸出能力的因素以及輸出能力對(duì)開關(guān)過程的影響。

影響輸出能力的因素

表1列出了與驅(qū)動(dòng)輸出能力有關(guān)的因素，詳細(xì)情況和數(shù)學(xué)分析將在論文全文中列出。

表1.影響輸出能力的因素

輸出能力的影響

這部分將使用SPICE模型和Simetrix的仿真結(jié)果，以說明驅(qū)動(dòng)輸出能力的影響。

柵極驅(qū)動(dòng)器雜散參數(shù)

柵極驅(qū)動(dòng)器雜散參數(shù)會(huì)影響柵極電壓和柵極電流波形，可能導(dǎo)致意外的開關(guān)動(dòng)作。

影響雜散參數(shù)的因素

表2列出了與雜散參數(shù)有關(guān)的因素，詳細(xì)內(nèi)容和數(shù)學(xué)分析將在論文全文中列出。

表2.影響雜散參數(shù)的因素

雜散參數(shù)的影響

我們將展示使用SPICE模型和Simetrix的仿真結(jié)果，以說明驅(qū)動(dòng)回路雜散參數(shù)的影響。

柵極驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)更理想的開關(guān)行為，在設(shè)計(jì)過程中需要檢查一些工作。除此以外，還可以依據(jù)一些設(shè)計(jì)技巧，以輕松實(shí)現(xiàn)調(diào)整目標(biāo)。

1.在柵極上添加齊納二極管。

2.柵極和源極之間并聯(lián)電阻。

3.柵極和源極之間并聯(lián)電容。

4.輔助電源Vcc的并聯(lián)電容。

5.源極回路中增加電阻或磁珠

更多信息將在論文全文中提供。

結(jié)論

本文以SiC MOSFET為例，分析了柵極驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵痛點(diǎn)。通過數(shù)學(xué)公式和仿真結(jié)果，給出了對(duì)于驅(qū)動(dòng)輸出能力和雜散參數(shù)的影響因素，并說明了這兩個(gè)痛點(diǎn)的影響。最后，給出了柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)技巧，以便在設(shè)計(jì)過程結(jié)束后仍能輕松調(diào)整，從而有助于在系統(tǒng)層面取得更好的調(diào)試結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] A.Kumar 和 L. B. Prasad，"電動(dòng)汽車的問題、挑戰(zhàn)和未來前景：2018 國(guó)際計(jì)算、電力和通信技術(shù)會(huì)議（GUCON），印度大諾伊達(dá)，2018 年，第 1060-1065 頁(yè)。

[2] She X, Huang A Q, Lucia O, et al. Review of silicon carbide power devices and their applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(10)：8193-8205.

[3] Zhang Z, Wang F, Tolbert L M, et al. 有源柵極驅(qū)動(dòng)器用于抑制相腳配置中的碳化硅器件串?dāng)_[J]. IEEE Transactions on Power

Electronics, 2013, 29(4)：1986-1997.

[4] Ando M, Wada K. 基于電力電子電路縮放方法的可接受雜散電感設(shè)計(jì)[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in

Power Electronics, 2016, 5(1)：568-575.