随着SiC MOSFET的推廣，其開關暫态過程中的超調、振蕩以及電磁幹擾問題越來越受到人們的重視。有源栅極驅動（AGD）電路作為一種新型驅動電路，已被廣泛應用于SiC MOSFET開關軌迹的優化控制。

東南大學電氣工程學院的研究人員王甯、張建忠，在2022年第10期《電工技術學報》上撰文，分析AGD電路的工作原理，給出不同驅動參數對開關特性的影響；他們着重探讨了阈值觸發型AGD電路的工作模式，分别從暫态定位技術、邏輯處理架構和功率放大拓撲三方面對AGD電路進行歸納總結，并評價不同技術的優缺點，給出AGD電路設計的建議流程；最後，研究人員展望了基于SiC MOSFET開關軌迹優化的AGD電路的發展趨勢。

圖像電氣電路。Image Electrical circuit .

以碳化矽金屬氧化物半導體場效應晶體管（Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, SiC MOSFET）為代表的寬禁帶半導體器件的誕生和發展使電力電子技術迎來了新的發展，和傳統的Si基器件相比，在靜态特性方面，SiC MOSFET具有更低的導通電阻、更高的熱導率以及能與IGBT媲美的功率等級；在動态特性方面，SiC MOSFET則具備更快的開關速度及頻率上限，這有助于電力電子裝置整體功率密度及效率的提升。

然而，開關瞬态過程的高dv/dt、di/dt以及與之相伴的超調振蕩使得SiC MOSFET完全取代Si IGBT仍然受到一些限制。比如，科研人員分析了ROHM公司推出的SiC MOSFET産品SCT2080KE，在400V、20A工作條件下的雙脈沖測試波形，實驗結果體現出寬禁帶器件高速開關暫态的局限性，具體表現為：

一方面，開關暫态有逾越安全工作區的風險。雖然SiC肖特基二極管消除了Si二極管的反向恢複效應，但是較大結電容使得開通過程仍存在較大的電流超調；SiC MOSFET的結電容更小，對于回路寄生電感更加敏感，特别是在器件關斷時會産生較大的關斷電壓尖峰與持續振蕩，極易突破器件的額定工作值，造成不可逆轉的失效。

另一方面，串擾問題值得注意。半橋電路中橋臂中點電位的瞬變通過結電容形成位移電流，與回路寄生電感與栅極驅動電阻相作用，形成電壓尖峰。由于SiC器件具有更低的開通阈值，正向串擾增大了橋臂直通的風險；同時SiC可承受負關斷電壓絕對值更低，負向串擾會造成器件的損壞。

SiC MOSFET對于開關損耗更加敏感。更快的開關速度使得SiC MOSFET電壓、電流交疊區域更小，開關損耗更低，但在高頻驅動的情況下，單次開通或者關斷損耗的提升可能會顯著降低系統效率，引發散熱不良、器件失效等問題。

電磁兼容問題是當下危害電力電子系統的重要問題之一。電力電子裝置中的半導體器件的高頻、高速切換是電磁噪聲的源頭；而複雜的寄生參數網絡為騷擾信号提供了路徑。電磁幹擾（Electro- magnetic Interference, EMI）不僅以洩露電流、軸電流的形式在功率回路形成安全隐患；同時對于控制側模拟電路、數字電路形成較強的幹擾，降低系統運行的可靠性。

優化PCB布局、降低回路寄生電感被證實是一種有效緩解上述問題的方式，但其非常依賴于設計人員的經驗，同時為進一步降低寄生參數需要複雜的先進封裝技術，成本昂貴。增設濾波器、吸收電路等手段都是以增加額外損耗、犧牲系統功率密度為代價的，并且往往需要進行反複的試錯實驗，大大降低了研發效率。

有源栅極驅動（Active Gate Driver, AGD）作為一種新型驅動電路，通過附加有源器件，調節驅動部件參數，以達到優化開關特性的目的。AGD技術最早被應用于IGBT驅動中，主要有損耗降低、串擾抑制、串聯均壓、并聯均流、有源鉗位、短路保護和暫态軌迹優化7個用途。

SiC MOSFET相對于Si IGBT開關速度更快，所帶來的超調、振蕩、EMI問題更加顯著，成為制約其進一步推廣的因素。如何在不顯著增加開關損耗的情況下，通過降低開關速度來優化開關軌迹呢？東南大學電氣工程學院的研究人員根據現有文獻，從工作原理、控制手段、電路拓撲等方面出發，歸納整理了針對SiC MOSFET軌迹優化的AGD電路相關技術，在性能方面進行了對比，給出AGD建議的設計流程，并讨論了未來AGD電路發展的趨勢。

他們指出，寬禁帶半導體的有源栅極驅動的相關研究目前仍處于起步階段。與應用于IGBT的AGD電路相類似，基于開關軌迹優化的SiC MOSFET有源驅動電路未來發展趨勢與技術難題主要有以下幾點：

随着SiC器件的逐步推廣，對于驅動電路的要求也逐步增多。單純某一種類型的有源驅動并不能很好地對SiC MOSFET開關瞬态進行多角度的改善。将短路保護、串擾抑制等其他功能納入基于開關軌迹優化的AGD電路成為必然要求，多功能AGD驅動架構如圖1所示。如何對于大量的附加電路進行分時複用，進而簡化設計、降低成本是技術難點。

圖1 多功能AGD驅動架構

控制穩定性方面，SiC MOSFET跨導與結電容有着很強的非線性特征，并且電壓源驅動下的SiC MOSFET的響應特性是複雜的高階數學方程。同時，阈值切換型AGD電路本質上屬于一種非線性的閉環控制，無法使用全閉環型AGD中伯德圖、根軌迹等分析工具來研究控制系統的穩定性。目前，對于SiC MOSFET開關暫态的建模工作仍在進行之中。

控制精度方面，SiC MOSFET的開關軌迹随着工作電壓、負載電流的變化而變化，這對于AGD電路開關軌迹優化的效果産生一定的影響：一方面，AGD的暫态定位點有可能産生一定的偏移，功率放大電路的動作可能産生超前或滞後；另一方面，SiC MOSFET漏源電壓的超調振蕩随着負載電流的增大而惡化，在調節參數相對固定的情況下，AGD電路可能在重載時發生失效，在輕載時則會造成多餘的開關損耗。

目前，基于開關軌迹優化的AGD電路的自适應調節技術還鮮有報道。有學者提出了基于代價函數的在線參數選擇的AGD邏輯處理架構，如圖2所示。該方法可以大幅提升AGD的控制精度，通過設置權重因子實現對于did/dt、dv/dt、Esw等多個指标的折中控制，但是控制器運算速度、疊代算法收斂性以及硬件成本成為需要進一步解決的問題。

圖2 基于代價函數的在線型AGD

響應帶寬方面，随着高性能模拟、數字器件技術的進步，更高的響應速度得以應用于SiC MOSFET的ns級控制。高頻數字信号交互所帶來的信号完整問題、運算放大器增益帶寬積與壓擺率的限制，以及附加器件布局方式有待深入研究。

AGD電路最終的市場化必須縮小體積、降低成本，并以單片的形式推薦給用戶。圖3給出了有關文獻中AGD電路的成本分布。圖中，模拟集成電路與可編程邏輯器件是制約AGD市場化的主要因素。在電路集成方面，數字電路的集成化易于實現，而如比較器、DAC、Buffer等模拟電路的集成則複雜得多，對于SiC MOSFET開關暫态的電磁幹擾也更為敏感。另外，輔助電源的個數也需要加以控制。進一步簡化附加有源電路是未來AGD的發展趨勢。

圖3 AGD的成本分布

研究人員最後表示，随着寬禁帶器件驅動技術的不斷發展，基于SiC MOSFET開關軌迹優化的有源栅極驅動技術具有巨大的研究價值與廣闊的應用空間。

本文編自2022年第10期《電工技術學報》，論文标題為“基于開關軌迹優化的SiC MOSFET有源驅動電路研究綜述”。本課題得到了國家自然科學基金重大資助項目的支持。

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