以碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, SiC MOSFET）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件的誕生和發(fā)展使電力電子技術(shù)迎來(lái)了新的發(fā)展，和傳統(tǒng)的Si基器件相比，在靜態(tài)特性方面，SiC MOSFET具有更低的導(dǎo)通電阻、更高的熱導(dǎo)率以及能與IGBT媲美的功率等級(jí)；在動(dòng)態(tài)特性方面，SiC MOSFET則具備更快的開(kāi)關(guān)速度及頻率上限，這有助于電力電子裝置整體功率密度及效率的提升。

然而，開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程的高dv/dt、di/dt以及與之相伴的超調(diào)振蕩使得SiC MOSFET完全取代Si IGBT仍然受到一些限制。比如，科研人員分析了ROHM公司推出的SiC MOSFET產(chǎn)品SCT2080KE，在400V、20A工作條件下的雙脈沖測(cè)試波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)出寬禁帶器件高速開(kāi)關(guān)暫態(tài)的局限性，具體表現(xiàn)為：

一方面，開(kāi)關(guān)暫態(tài)有逾越安全工作區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)。雖然SiC肖特基二極管消除了Si二極管的反向恢復(fù)效應(yīng)，但是較大結(jié)電容使得開(kāi)通過(guò)程仍存在較大的電流超調(diào)；SiC MOSFET的結(jié)電容更小，對(duì)于回路寄生電感更加敏感，特別是在器件關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的關(guān)斷電壓尖峰與持續(xù)振蕩，極易突破器件的額定工作值，造成不可逆轉(zhuǎn)的失效。

另一方面，串?dāng)_問(wèn)題值得注意。半橋電路中橋臂中點(diǎn)電位的瞬變通過(guò)結(jié)電容形成位移電流，與回路寄生電感與柵極驅(qū)動(dòng)電阻相作用，形成電壓尖峰。由于SiC器件具有更低的開(kāi)通閾值，正向串?dāng)_增大了橋臂直通的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)SiC可承受負(fù)關(guān)斷電壓絕對(duì)值更低，負(fù)向串?dāng)_會(huì)造成器件的損壞。

SiC MOSFET對(duì)于開(kāi)關(guān)損耗更加敏感。更快的開(kāi)關(guān)速度使得SiC MOSFET電壓、電流交疊區(qū)域更小，開(kāi)關(guān)損耗更低，但在高頻驅(qū)動(dòng)的情況下，單次開(kāi)通或者關(guān)斷損耗的提升可能會(huì)顯著降低系統(tǒng)效率，引發(fā)散熱不良、器件失效等問(wèn)題。

電磁兼容問(wèn)題是當(dāng)下危害電力電子系統(tǒng)的重要問(wèn)題之一。電力電子裝置中的半導(dǎo)體器件的高頻、高速切換是電磁噪聲的源頭；而復(fù)雜的寄生參數(shù)網(wǎng)絡(luò)為騷擾信號(hào)提供了路徑。電磁干擾（Electro- magnetic Interference, EMI）不僅以泄露電流、軸電流的形式在功率回路形成安全隱患；同時(shí)對(duì)于控制側(cè)模擬電路、數(shù)字電路形成較強(qiáng)的干擾，降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

優(yōu)化PCB布局、降低回路寄生電感被證實(shí)是一種有效緩解上述問(wèn)題的方式，但其非常依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為進(jìn)一步降低寄生參數(shù)需要復(fù)雜的先進(jìn)封裝技術(shù)，成本昂貴。增設(shè)濾波器、吸收電路等手段都是以增加額外損耗、犧牲系統(tǒng)功率密度為代價(jià)的，并且往往需要進(jìn)行反復(fù)的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，大大降低了研發(fā)效率。

有源柵極驅(qū)動(dòng)（Active Gate Driver, AGD）作為一種新型驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)附加有源器件，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)部件參數(shù)，以達(dá)到優(yōu)化開(kāi)關(guān)特性的目的。AGD技術(shù)最早被應(yīng)用于IGBT驅(qū)動(dòng)中，主要有損耗降低、串?dāng)_抑制、串聯(lián)均壓、并聯(lián)均流、有源鉗位、短路保護(hù)和暫態(tài)軌跡優(yōu)化7個(gè)用途。

SiC MOSFET相對(duì)于Si IGBT開(kāi)關(guān)速度更快，所帶來(lái)的超調(diào)、振蕩、EMI問(wèn)題更加顯著，成為制約其進(jìn)一步推廣的因素。如何在不顯著增加開(kāi)關(guān)損耗的情況下，通過(guò)降低開(kāi)關(guān)速度來(lái)優(yōu)化開(kāi)關(guān)軌跡呢？東南大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，從工作原理、控制手段、電路拓?fù)涞确矫娉霭l(fā)，歸納整理了針對(duì)SiC MOSFET軌跡優(yōu)化的AGD電路相關(guān)技術(shù)，在性能方面進(jìn)行了對(duì)比，給出AGD建議的設(shè)計(jì)流程，并討論了未來(lái)AGD電路發(fā)展的趨勢(shì)。

他們指出，寬禁帶半導(dǎo)體的有源柵極驅(qū)動(dòng)的相關(guān)研究目前仍處于起步階段。與應(yīng)用于IGBT的AGD電路相類(lèi)似，基于開(kāi)關(guān)軌跡優(yōu)化的SiC MOSFET有源驅(qū)動(dòng)電路未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與技術(shù)難題主要有以下幾點(diǎn)：

1）功能復(fù)化

隨著SiC器件的逐步推廣，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路的要求也逐步增多。單純某一種類(lèi)型的有源驅(qū)動(dòng)并不能很好地對(duì)SiC MOSFET開(kāi)關(guān)瞬態(tài)進(jìn)行多角度的改善。將短路保護(hù)、串?dāng)_抑制等其他功能納入基于開(kāi)關(guān)軌跡優(yōu)化的AGD電路成為必然要求，多功能AGD驅(qū)動(dòng)架構(gòu)如圖1所示。如何對(duì)于大量的附加電路進(jìn)行分時(shí)復(fù)用，進(jìn)而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本是技術(shù)難點(diǎn)。

圖1 多功能AGD驅(qū)動(dòng)架構(gòu)

2）控制升級(jí)

控制穩(wěn)定性方面，SiC MOSFET跨導(dǎo)與結(jié)電容有著很強(qiáng)的非線性特征，并且電壓源驅(qū)動(dòng)下的SiC MOSFET的響應(yīng)特性是復(fù)雜的高階數(shù)學(xué)方程。同時(shí)，閾值切換型AGD電路本質(zhì)上屬于一種非線性的閉環(huán)控制，無(wú)法使用全閉環(huán)型AGD中伯德圖、根軌跡等分析工具來(lái)研究控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，對(duì)于SiC MOSFET開(kāi)關(guān)暫態(tài)的建模工作仍在進(jìn)行之中。

控制精度方面，SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)軌跡隨著工作電壓、負(fù)載電流的變化而變化，這對(duì)于AGD電路開(kāi)關(guān)軌跡優(yōu)化的效果產(chǎn)生一定的影響：一方面，AGD的暫態(tài)定位點(diǎn)有可能產(chǎn)生一定的偏移，功率放大電路的動(dòng)作可能產(chǎn)生超前或滯后；另一方面，SiC MOSFET漏源電壓的超調(diào)振蕩隨著負(fù)載電流的增大而惡化，在調(diào)節(jié)參數(shù)相對(duì)固定的情況下，AGD電路可能在重載時(shí)發(fā)生失效，在輕載時(shí)則會(huì)造成多余的開(kāi)關(guān)損耗。

目前，基于開(kāi)關(guān)軌跡優(yōu)化的AGD電路的自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)還鮮有報(bào)道。有學(xué)者提出了基于代價(jià)函數(shù)的在線參數(shù)選擇的AGD邏輯處理架構(gòu)，如圖2所示。該方法可以大幅提升AGD的控制精度，通過(guò)設(shè)置權(quán)重因子實(shí)現(xiàn)對(duì)于did/dt、dv/dt、Esw等多個(gè)指標(biāo)的折中控制，但是控制器運(yùn)算速度、迭代算法收斂性以及硬件成本成為需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

圖2 基于代價(jià)函數(shù)的在線型AGD

響應(yīng)帶寬方面，隨著高性能模擬、數(shù)字器件技術(shù)的進(jìn)步，更高的響應(yīng)速度得以應(yīng)用于SiC MOSFET的ns級(jí)控制。高頻數(shù)字信號(hào)交互所帶來(lái)的信號(hào)完整問(wèn)題、運(yùn)算放大器增益帶寬積與壓擺率的限制，以及附加器件布局方式有待深入研究。

3）硬件集成與成本約束

AGD電路最終的市場(chǎng)化必須縮小體積、降低成本，并以單片的形式推薦給用戶。圖3給出了有關(guān)文獻(xiàn)中AGD電路的成本分布。圖中，模擬集成電路與可編程邏輯器件是制約AGD市場(chǎng)化的主要因素。在電路集成方面，數(shù)字電路的集成化易于實(shí)現(xiàn)，而如比較器、DAC、Buffer等模擬電路的集成則復(fù)雜得多，對(duì)于SiC MOSFET開(kāi)關(guān)暫態(tài)的電磁干擾也更為敏感。另外，輔助電源的個(gè)數(shù)也需要加以控制。進(jìn)一步簡(jiǎn)化附加有源電路是未來(lái)AGD的發(fā)展趨勢(shì)。

圖3 AGD的成本分布

研究人員最后表示，隨著寬禁帶器件驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于SiC MOSFET開(kāi)關(guān)軌跡優(yōu)化的有源柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有巨大的研究?jī)r(jià)值與廣闊的應(yīng)用空間。

本文編自2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于開(kāi)關(guān)軌跡優(yōu)化的SiC MOSFET有源驅(qū)動(dòng)電路研究綜述”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大資助項(xiàng)目的支持。