基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计

邵天骢 郑琼林 李志君 李 虹 刘建强

基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计

邵天骢1郑琼林1李志君2李 虹1刘建强1

（1. 北京交通大学电气工程学院 北京 100044 2. 泰科天润半导体科技（北京）有限公司 北京 100192）

目前碳化硅（SiC）MOSFET大多沿用Si MOSFET和IGBT的驱动设计方法。然而，由于SiC MOSFET相比Si器件具有更高的开关速度，因而栅极内阻、驱动回路电感和功率回路电感导致的栅源电压干扰情况也值得探索。该文分析栅源电压干扰产生的过程，进而归纳提炼出一种基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动参数标幺化设计方法。从开关结电容的等效电路出发，推导出功率回路和驱动回路的传递函数，基于驱动和功率双回路传递函数，研究揭示栅源电压的干扰动态响应机理。进而，引入标幺化的参数表达形式，以标准量化驱动参数对于栅源电压干扰传导路径的影响，提出基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计原则。最后，搭建双脉冲实验平台，验证该驱动设计原则的合理性。

SiC MOSFET 驱动设计 栅源电压干扰 动态响应

0 引言

以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体器件为电力电子领域的技术革新提供了契机[1-6]。由于宽禁带材料的使用，功率半导体器件可以工作在更高电压、更快频率下[7-12]。然而，在实际应用中，更高的开关速度造成桥臂结构中的两个器件之间相互干扰，引发的栅源电压干扰问题不可忽视[13-16]。

桥臂结构电路的两个SiC器件之间相互作用，在开关瞬态过程中，SiC器件的米勒电容被迫再次充放电，产生位移电流，影响栅极电压稳定性，栅源电压受到干扰，产生正向尖峰和负向尖峰。栅极电压正向尖峰过高将引发误导通现象[17]，其中不完全的误导通将增大开关损耗[18]，而完全的误导通将造成桥臂短路并引起器件过电流损坏[19]；栅极电压的负向尖峰过高将影响器件寿命[20-22]，甚至造成栅极过电压击穿导致器件失效[23]。高速率开关的器件引起的栅源电压干扰现象更为显著，若无法提供足够稳定的栅极电压将导致系统降频工作，限制变换器系统的进一步高频化和小型化。为从驱动设计的角度有效防治栅源电压干扰，首先需要探索掌握其产生机理，因此，国内外学者从数学建模的角度入手，对栅源电压干扰的机理进行了深入探讨。

文献[24]着眼于确定开关速度的关键限制因素，进而依据电压变化率、驱动电阻和结电容等效电路估算因干扰引起的栅源电压最大变化值。文献 [25]详细介绍了10kV SiC MOSFET在开关瞬态时的表征，进而在极端情况下，即假设通过器件的米勒电容的所有电流都对其栅源电容进行充电时，通过结电容等效电路估算最大栅源电压变化幅度。这些机理模型分析刻画和描述了干扰对栅源电压的影响结果，为深入分析栅源电压干扰的产生机理并精确描述打下了坚实基础。然而，这些较为简单的机理模型并未深入阐述产生振荡的机理，仅考虑干扰引发的干扰尖峰，未考虑关键的栅极内阻、驱动回路电感和功率回路电感影响，以至于不能全面认识高速开关动作对栅源电压干扰的动态特性。文献[26]首先建立了考虑高压增强型GaN器件的非线性和特性模型，然后将器件特性与各种电路参数相结合，建立了电路级模型，最后将分段切换过程模型和PSpice仿真相比较，证明该模型获得了更精确的分析结果。文献[27]考虑所有的电路寄生参数，分析并建立数学模型，对栅源电压干扰造成的误导通现象进行了全面的定量分析，为工程实践中的MOSFET选型、PCB设计和调试提供了准确的参考，可用来评估、判断误导通问题的发生。文献[19]基于MOSFET等效结电容模型、戴维南定理和叠加原理，并考虑MOSFET体二极管反向恢复、漏源电压变化的非线性以及驱动回路电感的影响，研究提出了一种栅源电压干扰分析模型，由变换器的寄生参数明确对应表示。然而，这些复杂的机理模型考虑的电路杂散参数过多，引入过多非主导参数，无法明确关键杂散参数，因此也就无法避免繁杂的计算过程，不能有效地直接面向工程应用指导驱动设计。目前SiC MOSFET大都沿用Si MOSFET和IGBT的驱动设计方法。由于SiC MOSFET相比Si器件具有更高的开关速度，因而栅极内阻、驱动回路电感和功率回路电感导致的栅源电压干扰情况，也值得探索。

本文研究揭示栅源电压的干扰动态响应机理，进而引入标幺化的系统参数表达形式以标准量化驱动参数对于栅源电压干扰传导路径的影响，提出基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计原则。

1 高速开关动作的干扰路径

图1为桥臂结构中的等效电路。桥臂下管QL采用器件的结电容等效电路代替，用于分析暂态过程中的栅源电压受到上管QH开关切换时的干扰情况。为方便起见，QH干扰到桥臂下管（本文简称为主动管）；QL受到桥臂上管干扰（本文简称为被动管）。桥臂结构负载电流L正方向由桥臂中点流出，回到直流母线中点。

图1 桥臂结构中的等效电路

1.1 栅源电压干扰的产生过程

图2展示了图1所示桥臂结构中SiC MOSFET栅源电压干扰产生的示意图。为简便起见，本文仅针对电力电子变换器中常见的桥臂结构电路，展开动态过程分析，L为负载电流，流出桥臂中点为正方向。从0时刻开始，主动管QH的漏源电压开始上升，DS开始下降，QH干扰被动管QL栅源电压GS的过程如下所述。

图2 桥臂结构中的栅源电压干扰

模态9[8,9]：8时刻，QL漏源电压DS升高到DC。在这一阶段，DS的高频振荡将激励QL栅源电压GS产生高频振荡，振荡持续到9时刻，QL栅源电压GS返回到负向关断偏置电压EE。进入新的稳态过程，直到下一周期开始。

下面将分别建立功率回路模型和驱动回路模型，描述栅源电压响应高速开关干扰源的动态过程，揭示栅源电压的干扰动态响应机理。

1.2 栅源电压对干扰的动态响应

图3 等效简化电路

ds为ds上的电压（角标为小写，与之相区分，引脚两端的漏源电压的角标为大写，即DS）；m为gd与gs中间点的电压。数值上，有mds，且功率回路具有相对较大的电流流通，因此，从dis到ds的部分可以近似认为与驱动回路的阻抗m无关，从图3a可得等效简化电路图3b，将功率回路与驱动回路等效拆解分别分析。进而可以得到

设i()为驱动回路传递函数，o()为功率回路传递函数，则有

其中

省略高阶无穷小系数后的特征多项式为

式（4）即为栅源电压干扰动态模型的解析表达式。采用不同器件，无需重新独立构造干扰路径传递函数的特征多项式。仅需要根据器件数据手册提供的暂态特性参数，在式（4）的特征多项式中代入具体数值，即可获得干扰路径传递函数的特征多项式。为了便于分析功率回路、驱动回路不同参数的作用，有针对性地优化PCB设计和布局，栅源电压干扰的等效电路如图4所示，即获得描述栅源电压对干扰的动态响应的等效电路。图中，GS为器件引脚两端的栅源电压，gs为器件结电容电容gs的电压。

2 栅源电压干扰的标幺化数学模型

在获得驱动回路和功率回路传递函数的基础上，本节将继续归纳总结该传递函数的特性。干扰路径的特性可以用其传递函数的特征多项式()描述，为方便研究，描述栅源电压干扰的标准二阶系统为

图4 栅源电压干扰的等效电路

()的阻尼比为

()的无阻尼自振频率为

具有较高的漏源电压斜率是SiC MOSFET工作频率提高时的重要特征之一。实际上，漏源电压是具有一定斜率的周期脉冲电压，其影响可以近似用驱动回路传递函数i()对斜率为=±DC/r（±代表脉冲电压干扰的上升沿和下降沿）的斜坡信号响应描述。需要说明的是，SiC MOSFET的运行过程中，r与驱动回路的参数相关，然而，为了突出主要矛盾，在分析时将斜率近似视为固定值。估算斜率时，根据调试经验，推荐取外部驱动电阻在数值上等于栅极内电阻g时，器件电压上升下降时间的平均值为r。驱动回路传递函数i()对斜坡信号的响应为

由终值定理可知，响应的终值(∞)为

如第1.1节所述，模态1和模态8期间，DS以斜坡信号的形式干扰GS。DS斜坡变化阶段结束后，DS呈现明显的振荡现象，其影响GS的机理与斜坡信号的影响不同。为简便起见，本文将DS斜坡变化结束时刻的GS简称为干扰尖峰，以区别于此后振荡所引发的尖峰，并以驱动回路传递函数i()对斜坡信号的响应终值(∞)量化。由式（10）可知，斜坡信号干扰引起的尖峰值与驱动电阻成正比，因此，较小的驱动电阻可以降低响应终值，一定程度上抑制干扰尖峰。然而，由式（8）可知，过小的驱动电阻，导致无阻尼自振频率n过大，()对于高频段的抑制能力降低，导致驱动回路对主功率回路谐振的抑制不足，有可能引发过大的栅源电压振荡。因此，驱动参数的选取极为重要。

式（11）和式（12）描述栅源电压干扰的标准二阶系统()的动态特性，且以标幺化形式表示。类似地，式（10）也可以进行标幺化处理得

对于不同的SiC MOSFET，根据数据手册提供的暂态特性参数，可获得栅源电压干扰的标准二阶系统()，其阻尼比和无阻尼自振频率描述了干扰的动态特性。需要说明的是，不同的SiC MOSFET具有不同的基准值，然而基准值的改变不会影响栅源电压干扰的传导路径。因此，标幺化的形式弱化了采用不同SiC MOSFET时，栅源电压干扰在参数数值上的差别，便于直观和迅速地判断系统元件参数的合理性，并能简化计算，为后续优化设计提供理论依据。

3 SiC MOSFET驱动参数的设计原则

整理可得

式（15）是驱动回路杂散电感的设计参考，g为SiC MOSFET的栅极内电阻。式（15）限定了驱动回路杂散电感的最大值，当驱动回路电感过大，超过该范围时，设计人员需调整PCB布局，缩短驱动芯片与SiC MOSFET栅源极之间的回路引线长度，以降低驱动回路的杂散电感，避免引入过大干扰。需要注意的是，式（15）的要求较为严苛，是在驱动电阻为零的极端情况下，保守估计获得的设计范围。实际应用中，可以根据工程应用环境加以修正。然而，不论如何修正，新取得的参数范围，应当与式（15）的推荐范围具有相同的数量级。

可得阻尼比最小的时候，并联辅助电容标幺值为

因此，在SiC MOSFET的驱动回路杂散电感满足步骤（1）下，驱动回路标准二阶系统()的阻尼比为

（3）设计驱动电阻标幺值*，均衡抑制栅源电压的干扰尖峰和干扰振荡，并防止因为驱动回路截止频率过低导致栅源电压变化过缓增大开关损耗。经过步骤（1）和步骤（2）的设计，驱动回路将获得平滑无振荡且过渡时间适度的动态过程。以此为基础，依据式（11）和式（12），进一步确定驱动电阻标幺值*的取值范围，研究驱动电阻的设计方法。为保证足够的谐振抑制比，并防止因为驱动回路截止频率过低导致栅源电压变化过缓，进而造成电压变化率d/d、电流变化率d/d过小，增大开关损耗，设计时应保证n＜0.2ro[28]，ro为功率回路谐振角频率，采用标幺化表示为

由式（13）可知，干扰尖峰值与驱动电阻标幺值*成正比。因此，较小的驱动电阻可以降低响应终值，一定程度上抑制干扰尖峰。为了不让干扰电压尖峰过大，响应的终值|(∞)|应当小于0.5(th-GS,min)，th为SiC MOSFET的导通阈值电压，GS,min为栅极电压的额定最小值。简便起见，本文推荐响应的终值|(∞)|＜|EE|，EE为SiC MOSFET的关断偏置电压。由此可得驱动电阻标幺值*的取值上限，即

综上，本文推荐驱动电阻*的设计取值范围为

图5 驱动参数标幺化设计流程

4 实验验证

为了进一步验证采用解耦原理降低SiC MOSFET栅极干扰的可行性，按照图1所示桥臂电路搭建双脉冲实验平台，对SiC MOSFET栅源电压进行测试，实验平台照片如图6所示。

图6 实验平台照片

在DC=800V的条件下，研究栅源电压GS响应漏源电压DS暂态过程波形。驱动电阻=2W、10W、15W时的实验波形分别如图7～图9所示，图中，DSH、dH分别为主动管QH的漏源电压和漏极电流。双脉冲电路的主动管QH导通持续时间为1ms，以折算到占空比为50%的周期方波为例，对应开关周期为2ms、开关频率为500kHz。分别工作于驱动电阻=2W、10W、15W，相应的驱动电阻标幺值分别为R=0.351、1.754、2.632。由式（25）可得，驱动电

图7 驱动电阻R=2W（R*=0.351）时的实验波形

图8 驱动电阻R=10W（R*=1.754）时的实验波形

图9 驱动电阻R=15W（R*=2.632）时的实验波形

图7主动管关断过程中，被动管栅源电压GS的负向干扰尖峰约5V；其后，栅源电压GS干扰振荡期间，有多个振荡波峰，峰峰值达到12V；由于干扰振荡显著，干扰振荡主导的第二尖峰大于DS斜坡下降主导的第一尖峰，干扰振荡的影响大于干扰尖峰影响。图7主动管导通过程中，干扰振荡十分剧烈，贯穿了整改暂态过程，使得干扰尖峰和干扰振荡时段混杂在一起，振荡最高峰值与最低谷值之差高达16V。

图8主动管关断过程中，被动管栅源电压GS的负向干扰尖峰达到6V；而栅源电压GS干扰振荡期间，振荡峰峰值约8V，较图7主动管关断过程中的振荡峰峰值降低30%。图8主动管导通过程中，振荡最高峰值与最低谷值之差约3.5V，较图7主动管导通过程的振荡有较大程度缓和。

图9主动管关断过程中，被动管栅源电压GS的负向干扰尖峰达到7V，比图8主动管关断过程中的尖峰增大约16%；栅源电压GS干扰振荡期间，振荡峰峰值进一步降低至约5.2V，较图8主动管关断过程的振荡幅度降低35%。图9主动管导通过程中，干扰振荡最高峰值与最低谷值之差约3V，与图8主动管导通过程的振荡幅度基本持平，均较图7主动管导通过程的振荡有较大程度缓和。

图10为针对图7～图9对应的不同驱动电阻，在图1中DC=800V时，不同负载电流L下QH的开关损耗。随着负载电流的增加，开关损耗也随之增加。驱动电阻=2W（R=0.351）时，QH在不同负载电流L下均具有最低的开关损耗；=15W（R= 2.632）时，QH在不同负载电流L下均具有最高的开关损耗；而=10W（R=1.754）时，QH在不同负载电流L下均具有比=15W（R=2.632）时更低的开关损耗。

综合分析图7～图10所示实测波形和数据可知，栅源电压波形的变化特征符合理论计算的趋势，采用本文所揭示的SiC MOSFET驱动参数设计方法，进行驱动参数设计，一定程度上避免了过大栅源电压干扰的出现，且具有相对低的开关损耗，具有一定合理性。

图10 不同驱动电阻（R）条件下的开关损耗（Esw）

5 结论

本文揭示了SiC MOSFET栅源电压的干扰动态响应机理，进而引入标幺化的系统参数表达形式以标准量化驱动参数对于栅源电压干扰传导路径的影响，提出基于干扰动态响应机理的SiC MOSFET驱动设计原则。

对于特定的SiC MOSFET，根据数据手册提供的暂态特性参数，可获得栅源电压干扰的标准二阶系统()，其阻尼比和无阻尼自振频率描述了干扰的动态特性，便于直观和迅速地判断系统元件参数的合理性，并能大量简化计算。

采用解析公式的标幺化参数设计方法，在实际应用中可以作为设计参考，避免了重复的建模工作和繁杂的计算过程。经过理论分析和实验验证，提出了SiC MOSFET驱动参数解析优化设计方法。通过实测波形分析可知，栅源电压波形的变化特征符合理论分析的趋势，采用本文所揭示的SiC MOSFET驱动参数设计方法，进行驱动参数设计，一定程度上避免了过大栅源电压干扰的出现，具有一定合理性。

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SiC MOSFET Gate Driver Design Based on Interference Dynamic Response Mechanism

11211

（1. School of Electrical Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China 2. Global Power Technology Co. Ltd Beijing 100192 China）

Currently, the gate driver design method of SiC MOSFET is mostly inherited from the Si MOSFET and IGBT. However, since SiC MOSFETs have higher switching speed than Si devices, it is also worth exploring the gate-source voltage interference caused by gate internal resistance, gate driver inductance and power circuit inductance. In this paper, the process of gate-source voltage interference is analyzed, and then the method of driver parameter per-united design based on interference dynamic response mechanism is summarized and extracted. This paper deduces the transfer functions of the power loop and the driver loop according to the equivalent circuit of the junction capacitance. Then, the interference dynamic response mechanism is revealed. Furthermore, a per-united parameter expression form is introduced to quantify the influence of gate driver parameters on the interference conduction path of gate-source voltage. The SiC MOSFET gate driver design principle is proposed based on the interference dynamic response mechanism. Finally, a double-pulse experimental platform was built to verify the rationality of the driver design principle.

SiC MOSFET, gate driver design, gate-source voltage interference, dynamic response

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210260

TM402

邵天骢 男，1990年生，博士，讲师，研究方向为宽禁带半导体功率器件驱动与保护、新能源变流器运行控制。E-mail: tcshao@bjtu.edu.cn（通信作者）

郑琼林 男，1964年生，教授，博士生导师，研究方向为轨道交通牵引供电与交流传动、高性能低损耗电力电子系统、光伏发电并网与控制、电力有源滤波与电能质量。E-mail: tqzheng@bjtu.edu.cn

2021-03-01

2021-04-27

（编辑 陈 诚）