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

然而，開關瞬態(tài)過程的高dv/dt、di/dt以及與之相伴的超調振蕩使得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試波形，實驗結果體現(xiàn)出寬禁帶器件高速開關暫態(tài)的局限性，具體表現(xiàn)為：

一方面，開關暫態(tài)有逾越安全工作區(qū)的風險。雖然SiC肖特基二極管消除了Si二極管的反向恢復效應，但是較大結電容使得開通過程仍存在較大的電流超調；SiC MOSFET的結電容更小，對于回路寄生電感更加敏感，特別是在器件關斷時會產(chǎn)生較大的關斷電壓尖峰與持續(xù)振蕩，極易突破器件的額定工作值，造成不可逆轉的失效。

另一方面，串擾問題值得注意。半橋電路中橋臂中點電位的瞬變通過結電容形成位移電流，與回路寄生電感與柵極驅動電阻相作用，形成電壓尖峰。由于SiC器件具有更低的開通閾值，正向串擾增大了橋臂直通的風險；同時SiC可承受負關斷電壓絕對值更低，負向串擾會造成器件的損壞。

SiC MOSFET對于開關損耗更加敏感。更快的開關速度使得SiC MOSFET電壓、電流交疊區(qū)域更小，開關損耗更低，但在高頻驅動的情況下，單次開通或者關斷損耗的提升可能會顯著降低系統(tǒng)效率，引發(fā)散熱不良、器件失效等問題。

電磁兼容問題是當下危害電力電子系統(tǒng)的重要問題之一。電力電子裝置中的半導體器件的高頻、高速切換是電磁噪聲的源頭；而復雜的寄生參數(shù)網(wǎng)絡為騷擾信號提供了路徑。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；同時對于控制側模擬電路、數(shù)字電路形成較強的干擾，降低系統(tǒng)運行的可靠性。

優(yōu)化PCB布局、降低回路寄生電感被證實是一種有效緩解上述問題的方式，但其非常依賴于設計人員的經(jīng)驗，同時為進一步降低寄生參數(shù)需要復雜的先進封裝技術，成本昂貴。增設濾波器、吸收電路等手段都是以增加額外損耗、犧牲系統(tǒng)功率密度為代價的，并且往往需要進行反復的試錯實驗，大大降低了研發(fā)效率。

有源柵極驅動（Active Gate Driver, AGD）作為一種新型驅動電路，通過附加有源器件，調節(jié)驅動部件參數(shù)，以達到優(yōu)化開關特性的目的。AGD技術最早被應用于IGBT驅動中，主要有損耗降低、串擾抑制、串聯(lián)均壓、并聯(lián)均流、有源鉗位、短路保護和暫態(tài)軌跡優(yōu)化7個用途。

SiC MOSFET相對于Si IGBT開關速度更快，所帶來的超調、振蕩、EMI問題更加顯著，成為制約其進一步推廣的因素。如何在不顯著增加開關損耗的情況下，通過降低開關速度來優(yōu)化開關軌跡呢？東南大學電氣工程學院的研究人員根據(jù)現(xiàn)有文獻，從工作原理、控制手段、電路拓撲等方面出發(fā)，歸納整理了針對SiC MOSFET軌跡優(yōu)化的AGD電路相關技術，在性能方面進行了對比，給出AGD建議的設計流程，并討論了未來AGD電路發(fā)展的趨勢。

他們指出，寬禁帶半導體的有源柵極驅動的相關研究目前仍處于起步階段。與應用于IGBT的AGD電路相類似，基于開關軌跡優(yōu)化的SiC MOSFET有源驅動電路未來發(fā)展趨勢與技術難題主要有以下幾點：

1）功能復化

隨著SiC器件的逐步推廣，對于驅動電路的要求也逐步增多。單純某一種類型的有源驅動并不能很好地對SiC MOSFET開關瞬態(tài)進行多角度的改善。將短路保護、串擾抑制等其他功能納入基于開關軌跡優(yōu)化的AGD電路成為必然要求，多功能AGD驅動架構如圖1所示。如何對于大量的附加電路進行分時復用，進而簡化設計、降低成本是技術難點。

圖1 多功能AGD驅動架構

2）控制升級

控制穩(wěn)定性方面，SiC MOSFET跨導與結電容有著很強的非線性特征，并且電壓源驅動下的SiC MOSFET的響應特性是復雜的高階數(shù)學方程。同時，閾值切換型AGD電路本質上屬于一種非線性的閉環(huán)控制，無法使用全閉環(huán)型AGD中伯德圖、根軌跡等分析工具來研究控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，對于SiC MOSFET開關暫態(tài)的建模工作仍在進行之中。

控制精度方面，SiC MOSFET的開關軌跡隨著工作電壓、負載電流的變化而變化，這對于AGD電路開關軌跡優(yōu)化的效果產(chǎn)生一定的影響：一方面，AGD的暫態(tài)定位點有可能產(chǎn)生一定的偏移，功率放大電路的動作可能產(chǎn)生超前或滯后；另一方面，SiC MOSFET漏源電壓的超調振蕩隨著負載電流的增大而惡化，在調節(jié)參數(shù)相對固定的情況下，AGD電路可能在重載時發(fā)生失效，在輕載時則會造成多余的開關損耗。

目前，基于開關軌跡優(yōu)化的AGD電路的自適應調節(jié)技術還鮮有報道。有學者提出了基于代價函數(shù)的在線參數(shù)選擇的AGD邏輯處理架構，如圖2所示。該方法可以大幅提升AGD的控制精度，通過設置權重因子實現(xiàn)對于did/dt、dv/dt、Esw等多個指標的折中控制，但是控制器運算速度、迭代算法收斂性以及硬件成本成為需要進一步解決的問題。

圖2 基于代價函數(shù)的在線型AGD

響應帶寬方面，隨著高性能模擬、數(shù)字器件技術的進步，更高的響應速度得以應用于SiC MOSFET的ns級控制。高頻數(shù)字信號交互所帶來的信號完整問題、運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給出了有關文獻中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現(xiàn)，而如比較器、DAC、Buffer等模擬電路的集成則復雜得多，對于SiC MOSFET開關暫態(tài)的電磁干擾也更為敏感。另外，輔助電源的個數(shù)也需要加以控制。進一步簡化附加有源電路是未來AGD的發(fā)展趨勢。

圖3 AGD的成本分布

研究人員最后表示，隨著寬禁帶器件驅動技術的不斷發(fā)展，基于SiC MOSFET開關軌跡優(yōu)化的有源柵極驅動技術具有巨大的研究價值與廣闊的應用空間。

本文編自2022年第10期《電工技術學報》，論文標題為“基于開關軌跡優(yōu)化的SiC MOSFET有源驅動電路研究綜述”。本課題得到了國家自然科學基金重大資助項目的支持。