基于闭环di/dt和 dv/dt控制的电压型有源驱动电路

发布时间：2021-11-19

　　摘要：SiC MOSFET 的高频切换将不可避免地导致 di/dt或 dv/dt的增高，随即引起电压以及电流振荡。开关振荡会产生严重的负面影响，表现为电压尖峰、额外的功率损耗、电磁干扰(EMI)噪声。为了减缓 SiC MOSFET 漏源极电压的尖峰及振荡，文中设计一种基于闭环 di/dt 和 dv/dt 控制的电压型有源驱动电路。该有源驱动电路通过控制栅源电压波形控制 SiC MOSFET 的开关速度，进而抑制电压电流的尖峰和振荡。将所设计的有源驱动电路在半桥斩波电路中进行仿真验证，仿真结果表明，该有源驱动电路可以有效地实现预期功能;且相对常规电路，该驱动电路所需元器件少，控制过程简单。

　　关键词：SiC MOSFET;有源驱动电路;闭环控制;电路设计;电压振荡抑制;仿真验证

　　0 引言

　　近几年，具有高阻断电压等优点的 SiC MOSFET 逐渐得到认可和使用，由于其具有更高的开关频率、更高的热导率、更高的工作温度以及更低的开关和传导损耗，有望满足市场对功率器件性能的需求[1⁃4] 。但是，由较快的开关速度和寄生元件引起的尖峰、振荡和电磁干扰(EMI)是其广泛应用的主要障碍。通过增加驱动电阻可以减小甚至消除这个问题，但是这会极大地增大开关损耗。除此之外，增加 RC 缓冲电路以抑制开关应力也是一种常见方法[5⁃8] 。但是，这些电路可能会在电感器和电容器等附加组件中留下较高的应力。因此，充分利用 SiC MOSFET 的潜力并改善开关性能的任务集中在高级栅极驱动器电路上。

　　文献[9⁃10]介绍一种具有多级栅极电阻的新型栅极驱动解决方案。该栅极驱动器的主要优点是减少了振荡和过冲，然而开关损耗同时增加。同样，文献[11]提出具有定时分辨率和输出电阻范围的栅极驱动器，但是由于用于调节栅极电阻的旁路开关是由 MOSFET 实现的，因此导致电路实现复杂。此外，用于追求最佳开关性能的阈值计算和设置方法对于不同的功率器件而言是复杂且不灵活的。文献[12⁃13]中提出一种闭环控制栅极驱动器，该驱动器可以通过对栅极电压的闭环控制来独立地调节开通和关断过程中的 di/dt，并使其在损耗、 EMI方面达到最佳性能。然而，对于采用高性能模拟放大器而言，电路的实现是复杂且昂贵的，且对于不同型号的 SiC MOSFET 的栅极电压参考电压的不同而不具有适应性。

　　本文设计一种基于闭环 di/dt和 dv/dt控制的电压型有源驱动电路，以有效抑制 SiC MOSFET 的尖峰和振荡。该有源驱动实现简单，没有负驱动电压，并且提供了灵活的控制，允许在不同的工作温度和负载电流下，以及在过冲和开关损耗之间进行最佳折衷。

　　1 SiC MOSFET 开关波形的尖峰与振荡的形成原因

　　本文将详细介绍 SiC MOSFET 开关波形的尖峰和振荡的形成原因，并基于如图 1 所示的半桥斩波电路研究寄生参数对 SiC MOSFET开关行为的影响。

　　图 1中：漏极电流 id值与感性负载流过电流相等时，续流二极管(FWD)开始反向恢复，并且漏极电流在续流二极管反向恢复电流达到最大值时，取得最大值，如公式(1)所示，此阶段发生在图 2的 t1~t2时刻。

　　基于开关过程分析可知，由于负载电感 LLoad的值较大，因而电流 il恒定。根据表达式(2)，电流尖峰的大小主要取决于 irr⁃max，而 irr⁃max 与 did /dt 成正比。由式(2)可知，可以减小导通过程的 id上升瞬间的 dvgs/dt，以抑制 did/dt，进而有效地抑制漏极电流 id的尖峰。

　　根据表达式(3)，漏源电压 vds的尖峰主要是由 did/dt 在 Ld和 Ls上的电压降引起的。由此不难推导出，可以通过减小关闭过程的 id下降瞬间的 dvgs/dt 来抑制 did/dt，从而达到有效抑制 vds的尖峰振荡的目标。

　　2 基于闭环 di/dt 和 dv/dt 控制的电压型有源驱动电路的设计

　　3 仿真验证

　　将上述有源驱动电路在图 1 所示的斩波电路中进行 PSpice仿真，并将其产生的效果和普通驱动电路做比较。仿真中的 SiC MOSFET 选取型号 SCR3080al，PSpice 模型可以从 ROHM 公司网站查询，输入电压为 300 V。图 4~图 7 为仿真波形对比。其中，图 4 表示开通过程栅源电压波形的比较;图 5 表示开通过程中漏极电流波形的比较;图 6表示关断过程栅源电压波形的比较;图 7表示关断过程中漏源电压波形的比较。

　　从图 4 的波形比较里不难得知，漏极电流在开通过程中增大时，栅源极电压波形变低，这减轻了栅源极电压瞬时上升变化率，从而明显地缓和了漏极电流的尖峰和振荡。而从图 4 和图 5 的波形比较中可以看到，漏极的电流的尖峰从 12.3 A 下降到 7.7 A，并且电流的振荡可以被抑制;经过图 6 的波形比较，漏极电流在关断过程中减小时，栅源极电压波形变高，这减轻了栅源极电压瞬时下降变化率，从而显著地抑制了漏源电压的尖峰和振荡。最后，从图 6和图 7的波形比较中可以知道，漏源电压的尖峰从 368 V 下降到 327 V，电压的振荡被抑制，证明了这种有源驱动电路的价值。

　　4 结语

　　本文构思一种基于闭环 di/dt和 dv/dt控制的电压型有源驱动电路，主要工作策略是通过检测 di/dt 和 dv/dt 来控制漏极电流的变化率，进而抑制 SiC MOSFET 漏源电压和漏极电流的尖峰和振荡。通过简单地检测 di/dt 和 dv/dt 信号，该有源驱动电路可以准确地定位尖峰和振荡的时刻，避免了传统驱动电路检测栅极电压不具有通用性的缺点，且这种电压型有源驱动电路功耗低、电路简单、动态响应速度高、切换延迟时间短，对于高效率和高可靠性功率转换器应用非常有吸引力。——论文作者：刘艺瑞，窦银科，陈燕

　　相关期刊推荐：《集成电路应用》(月刊)创刊于1984年，杂志面向电子系统制造企业与方案设计公司，致力于满足技术管理人员对新技术、新方案以及市场信息的需求。设有：电路原理与应用、仪器仪表、通信音视、电路集锦等栏目。