團(tuán)隊(duì)介紹

• 邵天驄，1990年出生，博士，講師，研究方向?yàn)閷捊麕О雽?dǎo)體功率器件驅(qū)動(dòng)與保護(hù)、新能源變流器運(yùn)行控制。
• 鄭瓊林，1964年出生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檐壍澜煌恳╇娕c交流傳動(dòng)、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(zhì)量。

?研究背景

以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件為電力電子領(lǐng)域的技術(shù)革新提供了契機(jī)。由于寬禁帶材料的使用，功率半導(dǎo)體器件可以工作在更高電壓、更快頻率下。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，更高的開關(guān)速度造成橋臂結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)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(dǎo)致系統(tǒng)降頻工作，限制變換器系統(tǒng)的進(jìn)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(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法。為從驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的角度有效防治柵源電壓干擾，首先需要探索掌握其產(chǎn)生機(jī)理。

論文所解決的問題及意?義

復(fù)雜的機(jī)理模型考慮的電路雜散參數(shù)過多，引入過多非主導(dǎo)參數(shù)，無法明確關(guān)鍵雜散參數(shù)，因此也就無法避免繁雜的計(jì)算過程，不能有效地直接面向工程應(yīng)用指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。目前SiC MOSFET 大都沿用Si MOSFET 和IGBT 的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法。由于SiC MOSFET 相比Si 器件具有更高的開關(guān)速度，因而柵極內(nèi)阻、驅(qū)動(dòng)回路電感和功率回路電感導(dǎo)致的柵源電壓干擾情況，也值得探索。

?論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文研究揭示柵源電壓的干擾動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而引入標(biāo)幺化的系統(tǒng)參數(shù)表達(dá)形式以標(biāo)準(zhǔn)量化驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)于柵源電壓干擾傳導(dǎo)路徑的影響，提出基于干擾動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)理的SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原則。

首先，考慮高于開關(guān)頻率的高頻干擾分量，建立用于被動(dòng)管柵源電壓干擾分析的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)計(jì)算柵源電壓響應(yīng)高頻干擾的動(dòng)態(tài)分量。為此，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)置零的前提下，等效簡(jiǎn)化電路，單獨(dú)研究干擾源到柵源電壓的干擾路徑，得到簡(jiǎn)化電路。將功率回路與驅(qū)動(dòng)回路等效拆解分別分析，可得柵源電壓干擾動(dòng)態(tài)模型的解析表達(dá)式。采用不同器件，無需重新獨(dú)立構(gòu)造干擾路徑傳遞函數(shù)的特征多項(xiàng)式。

僅需要根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的暫態(tài)特性參數(shù)，在公式（1）的特征多項(xiàng)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(xiàng)式。為了便于分析功率回路、驅(qū)動(dòng)回路不同參數(shù)的作用，有針對(duì)性的優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)和布局。

圖1 橋臂結(jié)構(gòu)中的等效電路

圖2 驅(qū)動(dòng)參數(shù)標(biāo)幺化設(shè)計(jì)流程

?結(jié)論

本文揭示了SiC MOSFET 柵源電壓的干擾動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而引入標(biāo)幺化的系統(tǒng)參數(shù)表達(dá)形式以標(biāo)準(zhǔn)量化驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)于柵源電壓干擾傳導(dǎo)路徑的影響，提出基于干擾動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)理的SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原則。

對(duì)于特定的SiC MOSFET，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的暫態(tài)特性參數(shù)，可獲得柵源電壓干擾的標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)，其阻尼比和無阻尼自振頻率描述了干擾的動(dòng)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(jiǎn)化計(jì)算。

采用解析公式的標(biāo)幺化參數(shù)設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際應(yīng)用中可以作為設(shè)計(jì)參考，避免了重復(fù)的建模工作和繁雜的計(jì)算過程。經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)參數(shù)解析優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

通過實(shí)測(cè)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(shì)，采用本文所揭示的SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)，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(qiáng). 基于干擾動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)理的SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 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.