ew的小天地 体育 东南大学科研团队发表SiC MOSFET有源驱动电路的研究综述

东南大学科研团队发表SiC MOSFET有源驱动电路的研究综述

随着SiC MOSFET的推广,其开关暂态过程中的超调、振荡以及电磁干扰问题越来越受到人们的重视。有源栅极驱动(AGD)电路作为一种新型驱动电路,已被广泛应用于SiC MOSFET开关轨迹的优化控制。

东南大学电气工程学院的研究人员王宁、张建忠,在2022年第10期《电工技术学报》上撰文,分析AGD电路的工作原理,给出不同驱动参数对开关特性的影响;他们着重探讨了阈值触发型AGD电路的工作模式,分别从暂态定位技术、逻辑处理架构和功率放大拓扑三方面对AGD电路进行归纳总结,并评价不同技术的优缺点,给出AGD电路设计的建议流程;最后,研究人员展望了基于SiC MOSFET开关轨迹优化的AGD电路的发展趋势。

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图像电气电路。Image Electrical circuit .

以碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, SiC MOSFET)为代表的宽禁带半导体器件的诞生和发展使电力电子技术迎来了新的发展,和传统的Si基器件相比,在静态特性方面,SiC MOSFET具有更低的导通电阻、更高的热导率以及能与IGBT媲美的功率等级;在动态特性方面,SiC MOSFET则具备更快的开关速度及频率上限,这有助于电力电子装置整体功率密度及效率的提升。

然而,开关瞬态过程的高dv/dt、di/dt以及与之相伴的超调振荡使得SiC MOSFET完全取代Si IGBT仍然受到一些限制。比如,科研人员分析了ROHM公司推出的SiC MOSFET产品SCT2080KE,在400V、20A工作条件下的双脉冲测试波形,实验结果体现出宽禁带器件高速开关暂态的局限性,具体表现为:

一方面,开关暂态有逾越安全工作区的风险。虽然SiC肖特基二极管消除了Si二极管的反向恢复效应,但是较大结电容使得开通过程仍存在较大的电流超调;SiC MOSFET的结电容更小,对于回路寄生电感更加敏感,特别是在器件关断时会产生较大的关断电压尖峰与持续振荡,极易突破器件的额定工作值,造成不可逆转的失效。

另一方面,串扰问题值得注意。半桥电路中桥臂中点电位的瞬变通过结电容形成位移电流,与回路寄生电感与栅极驱动电阻相作用,形成电压尖峰。由于SiC器件具有更低的开通阈值,正向串扰增大了桥臂直通的风险;同时SiC可承受负关断电压绝对值更低,负向串扰会造成器件的损坏。

SiC MOSFET对于开关损耗更加敏感。更快的开关速度使得SiC MOSFET电压、电流交叠区域更小,开关损耗更低,但在高频驱动的情况下,单次开通或者关断损耗的提升可能会显著降低系统效率,引发散热不良、器件失效等问题。

电磁兼容问题是当下危害电力电子系统的重要问题之一。电力电子装置中的半导体器件的高频、高速切换是电磁噪声的源头;而复杂的寄生参数网络为骚扰信号提供了路径。电磁干扰(Electro- magnetic Interference, EMI)不仅以泄露电流、轴电流的形式在功率回路形成安全隐患;同时对于控制侧模拟电路、数字电路形成较强的干扰,降低系统运行的可靠性。

优化PCB布局、降低回路寄生电感被证实是一种有效缓解上述问题的方式,但其非常依赖于设计人员的经验,同时为进一步降低寄生参数需要复杂的先进封装技术,成本昂贵。增设滤波器、吸收电路等手段都是以增加额外损耗、牺牲系统功率密度为代价的,并且往往需要进行反复的试错实验,大大降低了研发效率。

有源栅极驱动(Active Gate Driver, AGD)作为一种新型驱动电路,通过附加有源器件,调节驱动部件参数,以达到优化开关特性的目的。AGD技术最早被应用于IGBT驱动中,主要有损耗降低、串扰抑制、串联均压、并联均流、有源钳位、短路保护和暂态轨迹优化7个用途。

SiC MOSFET相对于Si IGBT开关速度更快,所带来的超调、振荡、EMI问题更加显著,成为制约其进一步推广的因素。如何在不显著增加开关损耗的情况下,通过降低开关速度来优化开关轨迹呢?东南大学电气工程学院的研究人员根据现有文献,从工作原理、控制手段、电路拓扑等方面出发,归纳整理了针对SiC MOSFET轨迹优化的AGD电路相关技术,在性能方面进行了对比,给出AGD建议的设计流程,并讨论了未来AGD电路发展的趋势。

他们指出,宽禁带半导体的有源栅极驱动的相关研究目前仍处于起步阶段。与应用于IGBT的AGD电路相类似,基于开关轨迹优化的SiC MOSFET有源驱动电路未来发展趋势与技术难题主要有以下几点:

1)功能复化

随着SiC器件的逐步推广,对于驱动电路的要求也逐步增多。单纯某一种类型的有源驱动并不能很好地对SiC MOSFET开关瞬态进行多角度的改善。将短路保护、串扰抑制等其他功能纳入基于开关轨迹优化的AGD电路成为必然要求,多功能AGD驱动架构如图1所示。如何对于大量的附加电路进行分时复用,进而简化设计、降低成本是技术难点。

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图1 多功能AGD驱动架构

2)控制升级

控制稳定性方面,SiC MOSFET跨导与结电容有着很强的非线性特征,并且电压源驱动下的SiC MOSFET的响应特性是复杂的高阶数学方程。同时,阈值切换型AGD电路本质上属于一种非线性的闭环控制,无法使用全闭环型AGD中伯德图、根轨迹等分析工具来研究控制系统的稳定性。目前,对于SiC MOSFET开关暂态的建模工作仍在进行之中。

控制精度方面,SiC MOSFET的开关轨迹随着工作电压、负载电流的变化而变化,这对于AGD电路开关轨迹优化的效果产生一定的影响:一方面,AGD的暂态定位点有可能产生一定的偏移,功率放大电路的动作可能产生超前或滞后;另一方面,SiC MOSFET漏源电压的超调振荡随着负载电流的增大而恶化,在调节参数相对固定的情况下,AGD电路可能在重载时发生失效,在轻载时则会造成多余的开关损耗。

目前,基于开关轨迹优化的AGD电路的自适应调节技术还鲜有报道。有学者提出了基于代价函数的在线参数选择的AGD逻辑处理架构,如图2所示。该方法可以大幅提升AGD的控制精度,通过设置权重因子实现对于did/dt、dv/dt、Esw等多个指标的折中控制,但是控制器运算速度、迭代算法收敛性以及硬件成本成为需要进一步解决的问题。

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图2 基于代价函数的在线型AGD

响应带宽方面,随着高性能模拟、数字器件技术的进步,更高的响应速度得以应用于SiC MOSFET的ns级控制。高频数字信号交互所带来的信号完整问题、运算放大器增益带宽积与压摆率的限制,以及附加器件布局方式有待深入研究。

3)硬件集成与成本约束

AGD电路最终的市场化必须缩小体积、降低成本,并以单片的形式推荐给用户。图3给出了有关文献中AGD电路的成本分布。图中,模拟集成电路与可编程逻辑器件是制约AGD市场化的主要因素。在电路集成方面,数字电路的集成化易于实现,而如比较器、DAC、Buffer等模拟电路的集成则复杂得多,对于SiC MOSFET开关暂态的电磁干扰也更为敏感。另外,辅助电源的个数也需要加以控制。进一步简化附加有源电路是未来AGD的发展趋势。

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图3 AGD的成本分布

研究人员最后表示,随着宽禁带器件驱动技术的不断发展,基于SiC MOSFET开关轨迹优化的有源栅极驱动技术具有巨大的研究价值与广阔的应用空间。

本文编自2022年第10期《电工技术学报》,论文标题为“基于开关轨迹优化的SiC MOSFET有源驱动电路研究综述”。本课题得到了国家自然科学基金重大资助项目的支持。

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