基于 di/dt优化控制的大功率 SiC 栅极驱动技术

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摘要：新型 S iC半导体功率器件的开关速度快，对线路中的寄生参数敏感度高，在开关过程中会产生较大的电压和电流过冲，从而影响器件的开关性能和安全工作裕度。此处针对 S iC器件电压和电流过冲形成的原因，提出了一种基于 di/dt 优化的有源栅极驱动技术。该技术在传统驱动器的基础上，在栅极分别增加了可控的恒流充电和恒流放电电路，并通过控制开关过程中的充放电时间宽度来调整出/ d t 的大小，从而减小 S iC器件的开关损耗和降低开关过程中的电压和电流过冲，实现 SiC器件在安全工作区内的稳定运行。此处首先分析 S iC器件在开关过程中出/ t k 对电压和电流过冲的影响，然后详细介绍了所提栅极驱动技术的原理及其硬件实现方案，最后通过设计实验验证了该技术的可行性。

引言

随着电力电子技术的飞速发展，髙电压、大电流的应用场合对功率器件的开关性能提出了更高的要求。SiC器件作为一种新型的宽禁带半导体器件，相较于传统的S i器件具有开关速度快、开关损耗小等优点。但是由于开关速度的提髙，在开关过程中高山7出和线路中的寄生参数共同作用，产生的电流和电压过冲与振荡会影响器件的安全工作裕度，并形成电磁干扰噪声。

传统栅极驱动器（CGD)通过改变门极驱动电压或驱动电阻等方法来调节器件的开关速度叭该方法对整个开关过程进行调节，无法灵活调节 SiC器件在开通或关断中部分阶段的开关速度。文献[2]基于 CGD的设计思路提出了一种有源栅极驱动器（AGD)的设计方法，在提高器件开关性能的同时能实现有效的短路保护功能。现有的AGD 方法多应用在IGBT的驱动电路中，可以大致分为 3 类：在开关过程中实时切换驱动电阻、实时切换驱动电压w以及实时调节连接在器件栅极的受控电流源。与 IGBT器件相比，SiC器件的开关时间显著缩短，这提高了 AGD方案在SiC驱动电路中的实现难度。文献[4]针对小功率SiC器件在开关过程中形成的电压和电流过冲，提出了一种单管电流源切换的AGD方案。在此基础上，将 CGD和 AGD的方法相结合，针对高压大电流的SiC模块提出了一种通过控制di/出来降低开关过程中电压和电流过冲的驱动器设计。该设计通过减小驱动电阻的CGD方法加快器件在整个开关周期内的开关速度，并采用切换电流源的AGD方法调整部分开关过程的速度，从而在减小开关损耗的基础上控制出/dt，降低开关过程中的电压和电流过冲。相较于文献[4]提出的单管电流源电路,此处所采用的镜像电流源具有更加稳定的输出电流，这有利于改善SiC器件的开关性能。

2 CGD方案中 di/dt对开关过程的影响

2.1 CGD方案与双脉冲测试电路

CGD的设计方案如图1 左侧部分所示，该方案采用推挽电路以提供足够的栅极电流。对于 CGD方案，可以通过改变驱动电阻和驱动电压C/cc和或者在待测器件的栅源极或漏栅极两端并联电容的方法来调节器件的开关速度，上述方法无法灵活调节开关过程中，会造成额外的开关损耗。

2.2 di/dt对开关过程的影响

不同于 S i器件的反并联二极管，SiC器件的反并联二极管的反向恢复时间较短，可近似忽略。在 t3~i4阶段，反并联二极管VDf 的结电容Cf起到主要作用，故在 t3~t4 阶段，可等效为一个恒定上升斜率的电流源对Cf充电，其充电电流为：

3 基于 C G D 和 A G D 结合的优化控制方案

3.1 优化控制方案的工作原理

由上述可得，CGD方案改变整个开关过程的开关速度，而 AGD方案可以在不同开关阶段内对开关速度进行调整，这可以增加系统控制的自由度，从而实现多种控制目标，如加快开关速度、减小开关损耗或减小过冲等。所提出的优化控制方案将 CGD与 AGD方案相结合，通过减小驱动电阻的CGD方案来加速整个开关过程，降低开关损耗，同时采用切换电流源的AGD方案在 t3~t4(id 上升阶段）和 V^ 1()(id下降阶段）减慢 SiC器件的开关速度，从而控制开关过程中的出/出，在降低器件开关损耗的基础上实现减小开关过程中电压和电流过冲的目标。优化控制方法采用的电路如图 3 所示。该设计在传统CGD方案的基础上，加入了两个可控制开断的镜像电流源实现AGD方案，通过复杂可编程逻辑器件（CPLD)控制器采样脉宽调制（PWM)信号并计算开关时间来控制电流源的开关。加入的两个电流源的输出电流方向不同，其电流方向如图 3 所示。

3 . 2 优化控制方案的实现

由式（18)，（19)可知，通过调节参考电阻Kret的大小可以调节镜像电流源电流的大小。

由于SiCMOSFET的开关速度快，加之硬件延时的存在，实时采样闭环控制的方法很难达到较好的控制效果。若采用文献[2]的方法检测di/ 出，加上比较器和一系列开关管，会增加延时，无法实现控制目标。此处采用了一种开环控制的方式，在母线电压电流一定的情况下，采样 PWM信号的上升沿和下降沿，根据第 2.2节的方法计算各个阶段的时间，进行开环控制，使得控制方案更加灵活。此处采用的AGD方案的控制回路如图7 所示，通过 CPLD控制器采样驱动芯片次级输出驱动信号开通和关断的时刻，计算不同母线电压电流下的开关延时、漏极电流的上升、下降时间来得到控制电流源的开通和关断的时刻。

4 实验验证

基于上述的优化控制方案搭建实验平台，其结构如图8 所示，图中的DSP 28027控制器用来输出控制 SiC M0 SFET开关的 PWM信号和接收驱动板发出的故障信号。驱动板的初级供电为 0~15 V 电源，次级为-4~0~20 V 的正负电源供电方式，以提供SiC模块正向和负向的驱动电压。 CPLD控制器采样驱动芯片的次级驱动信号，用以控制电流源的开关。

搭建的实验平台中SiC MOSFET模块采用的是 1200 V/300 A 半桥模块 CAS300M12BM2 , 负载电感为244 jjlH 的空心电感。前端控制器采用DSP 28027控制器，AGD由 LC4032型 CPLD控制器实现。为了验证所提出的优化控制方案的可行性，在800V/150A 的母线输入条件下，将 CGD方案的驱动器（驱动电阻为7.8 Ω)和设计的AGD方案的驱动器（驱动电阻为 4.7Ω ) 进行对比，图 9 为两种方案开通过程的波形。其中 AGD方案作用于两条虚线间的时间段内。在该时间段，^被拉低，漏极电流的上升速度减慢，di/d t减小。表 1 中记录了两种方案的开关数据结果，由表中数据可得，改进后的驱动器在开关过程中产生的电压和电流过冲更小，且开关损耗更小，开关速度更快。

表 1 将驱动电阻为 7.8 的 CGD与 AGD方案、驱动电阻为 4.7 Ω的 CGD和设计的驱动电阻为 4.7Ω 的 AGD方案进行对比，并将表中数据和驱动电阻为 7.8 Ω的 CGD方案进行归一化处理, 其结果如图 1 1所示。从表 1 和图 1 1可知，在驱动电阻为7.8Ω 的基础上，只采用AGD方案可以减小开关过程中的电压和电流过冲，但是会造成开关损耗的增加和开关时间的增加；若只采用CGD 方案，将驱动电阻 7.8Ω 减小到 4.7Ω开关损耗和开关时间减小，但会造成更大的电压和电流过冲；若采用CGD和 AGD方案相结合，将驱动电阻从 7.8Ω减小到 4.7Ω , 并采用AGD方案进行控制，则电压和电流过冲减小，开关损耗减小，开关时间减小，因此可以证明所提出的将CGD与 AGD 方案相结合的优化控制方案的可行性与优越性。

5 结论

此处通过对 SiC器件在开关过程中高di/dt 引起的电压和电流过冲进行理论分析，设计了控制开关过程中di/出的栅极驱动器。相比于传统驱动方案，采用将调整驱动电阻的CGD和切换电流源的 AGD相结合的方法，减小开关过程中的电压和电流过冲，同时加快开关速度，减小开关损耗。为了验证所提出的优化控制方案的有效性，搭建了双脉冲测试电路进行了实验验证，能达到减小开关过程的电压和电流过冲、加快开关速度、减小开关损耗的目标。