学术简报｜降低碳化硅MOSFET开关损耗的驱动电路改进方法
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输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员李辉、黄樟坚、廖兴林、钟懿、王坤，在2019年第2期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动设计”）指出，由于传统驱动下碳化硅（SiC）MOSFET受高开关速度特性及寄生参数影响，桥臂串扰现象更加严重，而现有抑制串扰驱动电路又往往会增加开关损耗、开关延时和控制复杂程度，因此本文结合驱动阻抗控制与负压关断的串扰抑制方法，提出一种改进门极驱动电路。
首先，阐述串扰现象产生原理及其典型抑制方法。其次，在负压关断前提下，基于控制辅助三极管开断，降低串扰产生过程中驱动回路阻抗的思想，提出一种在栅源极增加三极管串联电容新型辅助支路的改进驱动方法，并分析其工作原理，研究改进驱动电路关键参数设计原则。最后，搭建双脉冲测试实验平台，在不同驱动电阻、输入电压、负载电流条件下对改进驱动电路设计的有效性进行验证。
结果表明，传统驱动下SiC MOSFET桥臂串扰现象明显。相比典型抑制串扰驱动电路，提出的驱动方法在有效抑制串扰同时，减小了开关损耗与开关延时。
近年来，以碳化硅（Silicon Carbide, SiC）MOSFET为代表的宽禁带半导体器件因其具有高开关频率、高开关速度、高热导率等优点，已成为高频、高温、高功率密度电力电子变换器的理想选择。然而随着SiC MOSFET开关速度加快，桥式电路受寄生参数影响加剧，串扰现象更加严重。
由于SiC MOSFET正向阈值电压与负向安全电压较小，串扰问题引起的正负向电压尖峰更容易造成开关管误导通或栅源极击穿，进而增加开关损耗，严重时损坏开关管。因此，分析桥臂串扰现象形成原因，研究发挥SiC MOSFET高速开关特性优势的串扰抑制方法，对提高变换器工作可靠性、提升其功率密度具有重要意义。
目前，已有一些文献对如何抑制串扰现象展开研究，归结起来主要分为两类：一类是控制栅极驱动阻抗的抑制方法，如文献[11,12]通过设置关断栅极电阻小于开通栅极电阻，并在栅源极并联或串联辅助电容，降低串扰产生过程中的驱动回路阻抗，抑制串扰。但并联辅助电容增大了栅源极等效电容，延长了电容充放电时间，而串联辅助电容又使栅源极电容分压降低，减慢了开关速度，这都将带来开关损耗与开关延时增加的弊端。
文献[13,14]提出一种只在开关过程的米勒平台期增大驱动电阻的方法，降低米勒平台期的电压变化率dv/dt，抑制串扰。该方法具有较低的开关延时，但却增大了开关损耗，同时很难准确监测开关状态。文献[15-18]在栅源极增加MOSFET管或三极管串联电容的辅助支路，通过控制MOSFET管或三极管的开断，减小驱动回路阻抗，抑制串扰。该方法具有较低的开关损耗与延时，但MOSFET管开启电压较高，需外加驱动信号，加大了控制复杂程度，三极管虽无需外加控制信号，但文献所提方法只对栅源极单方向电压尖峰有抑制效果。
另一类是负压关断的抑制方法，文献[19]通过选择合适的驱动负压关断开关管，确保将栅源极正负向电压尖峰限制在安全范围内。但由于SiC MOSFET的正向阈值电压与负向安全电压较小，导致驱动负压的可选区间较小。文献[20]提出一种在栅源极出现正向电压尖峰时采用负压关断，出现负向电压尖峰时采用0V关断的抑制方法。但是由于寄生电感的存在，栅源极会同时出现正负向电压振荡，因此该方法很难达到较好的抑制效果。
文献[21]采用稳压二极管将栅源极负向电压尖峰限制在关断负压，但由于缺少限流电阻的作用，使流过二极管的电流大大超过其正常工作值，稳压效果较差。文献[22]在栅源极增加基于MOSFET管开断的有源钳位电路，该方法能有效将栅极电压钳位在关断负压，但同样需外加MOSFET管驱动信号。
综上所述，现有SiC MOSFET串扰抑制方法大都以牺牲开关损耗、开关延时或增加控制复杂程度为代价。基于此，本文在负压关断前提下，提出一种在栅源极增加三极管串联电容新型辅助支路的改进驱动设计方法，该方法具有开关损耗小、延时较短、控制简单的特点。
论文首先阐述串扰现象的产生原理及其典型抑制方法，其次分析改进驱动电路工作原理与关键参数设计原则，最后，搭建双脉冲实验平台，对改进驱动电路有效性进行实验验证。
图9 双脉冲测试实验平台
图10 改进驱动电路原理
为了有效解决典型驱动电路在抑制串扰同时增加开关延时与开关损耗问题，本文提出一种在栅源极增加三极管串联电容辅助支路的改进抑制串扰驱动电路及其设计方法，并通过原理分析与实验验证，表明了本文提出的改进串扰抑制驱动电路和参数设计方法的有效性。所得主要结论如下：
1）传统无辅助支路的SiC MOSFET驱动电路，桥臂串扰现象明显。典型抑制串扰驱动和本文提出的改进驱动电路都能有效抑制串扰问题。
2）无论是典型抑制串扰驱动电路，还是本文提出的改进驱动电路，SiC MOSFET开关损耗都会随驱动电阻、输入电压、负载电流的增大而增加；而SiC MOSFET开关延时受输入电压与负载电流的影响相对较小，但也会随驱动电阻的增大而增加。
3）相比典型抑制串扰驱动电路，本文提出的改进驱动电路有效降低了开关延时与损耗，且随着驱动电阻、输入电压、负载电流的增大，降低SiC MOSFET开关损耗的效果更明显，进一步说明本文方法在抑制串扰和提高开关特性方面更具有优势。