摘要:
在SiC MOSFET为主开关管的半桥电路中，寄生参数会导致串扰问题，影响电路的工作安全。为了抑制串扰，提出了一种有源串扰抑制驱动电路。在传统无源驱动电路的基础上，增加了辅助MOSFET和快恢复二极管对正向串扰和负向串扰进行抑制，并增加电容来产生负压，加速SiC MOSFET关断。在LTspice软件中进行仿真分析，并搭建实验测试平台进行验证。实验结果表明，在200V母线电压下正、负向串扰分别降低为原来的49.1%和61.4%,在400V母线电压下正、负向串扰分别降低为原来的50.4%和57.7%,在600V母线电压下正、负向串扰分别降低为原来的66.7%和62.8%。与传统无源驱动电路相比，提出的有源串扰抑制驱动电路能够在不同电压工况下有效抑制串扰尖峰电压。
引言
凭借快开关速度、高器件结温和低导通损耗等优势，碳化硅(SiC)功率器件逐渐在高频、高温与高功率密度等应用场合替代传统硅功率器件。然而更高的电压和开关频率意味着更大的电压变化率(dv/dt)和电流变化率(di/dt),导致SiC MOSFET相比于SiMOSFET对线路的寄生参数更为敏感，在桥式电路中解决器件高速动作引发的串扰问题变得更为重要。正向串扰电压尖峰可能导致SiC MOSFET误开通，引起桥臂直通，从而造成短路；负向串扰电压尖峰可能超过SiC MOSFET栅极最大允许反向电压，使开关管损坏。为了保证SiC MOSFET运行的稳定性和可靠性，桥式电路中的串扰问题亟待解决。
目前，串扰抑制电路主要有降低器件的dv/dt和di/dt、对栅源极施加负电压、在栅源增加辅助电容和降低驱动回路阻抗三类。第一类引入多电平(通过调整上拉和下拉电阻产生近乎任意的开关暂态)来精确控制栅源电压或通过软开关来实现串扰抑制。但是开关瞬态限制了SiC MOSFET在开关速度上的优势，且电路控制难度和复杂度较高，需要额外增加器件。第二类主要通过额外的负压产生电路来抑制正向串扰，但面对负向串扰时无法有效进行抑制，且负压影响器件的正常开通。SiC MOSFET负向阈值相比SiC MOSFET较低，负向电压叠加负向串扰电压易损坏SiC MOSFET。第三类通过在栅极和源极直接构建串联电容的低阻抗回路为串扰电流提供放电通道,或通过设置不同的通断电阻来降低栅极驱动器的关断回路阻抗，以抑制串扰电压尖峰，这类方法成本低且易于实现。但辅助电容会降低驱动电路的开通速度，增大驱动电路的功耗，难以适应高频应用。S.Li等人实现了零电压和零电流开关的通断以及准零电压开关的关断，但其需要额外的功率器件、电容器和电感，这增加了复杂性、体积和成本。
综上所述，目前的串扰抑制技术主要是基于低关断回路阻抗和多级驱动电平。本文在现有研究的基础上，结合负压加速关断与低阻抗放电回路的优势，在不影响SiC MOSFET开通与关断速率的情况下，提出了一种SiC MOSFET有源串扰抑制驱动电路。该电路结构简单，为每一个主开关管配置了两个辅助SiMOSFET,辅助SiMOSFET的驱动信号来自主开关管驱动IC,因此无需额外设置驱动电路。且通过配置电容负压关断电路参数，合理控制负压持续时间，在下次开通信号到来之前，负压已经降至0V,不会影响SiC MOSFET下一次正常开通，不会因为持续承受负向电压而导致开关管损坏。
1、串扰电压产生原理
在全桥电路的一侧桥臂或半桥电路中，上开关管或下开关管的导通与关断会导致另一处于关断状态的开关管栅极产生正向或负向的串扰电压。串扰产生的原因主要是栅漏电容Cgd和共源极电感。由共源极电感引起的串扰电压可以通过改善器件的封装、增加开尔文源极解决，本节主要介绍由栅漏电容引起的串扰电压的产生原理。漏源电压Vds在极短的时间内突然上升或突然下降，会在Cgd产生正向和负向的电流，该电流经过栅极驱动电阻Rg和驱动IC会在栅极产生正向和负向的串扰电压Vgs[7],则有
式中：Vdc为母线电压；t为漏源电压上升时间；Cgs为栅源电容；tu为理想的线性化漏源电压的上升时间。由式(1)可知，Vgs与t、Rg、Cgd呈正相关。当t趋于0s时，串扰电压将达到理想条件下的最大值Vgsi_max[7],则有
由式(2)可知，在理想条件下串扰电压尖峰只与母线电压和SiC MOSFET的Cgd和Cgs有关。增大Cgs/Cgd可以减小串扰电压尖峰。由于上升时间不可能无限小，且根据式(1)可知串扰电压是一个随时间递增的函数，因此当t=tu时，串扰电压达到其实际最大值Vgsr_max,即
每个SiC MOSFET器件的Cgd和Cgs均为固定值，当驱动电路阻抗接近0Ω时，串扰电压基本降至0V。因此，降低串扰发生时驱动电路的阻抗将显著降低串扰电压。正向和负向串扰产生的原理分别如图1和图2所示。
2、串扰抑制电路分析
如图3所示，传统无源驱动电路由栅极驱动IC、栅极驱动电阻和主开关管组成。CgdH、CgsH、CdsH分别为上管栅漏电容、上管栅源电容、上管漏源电容，CgdL、CgsL、CdsL分别为下管栅漏电容、下管栅源电容、下管漏源电容。本文在传统驱动电路的基础上提出的有源串扰抑制电路如图4所示。该电路由上管栅极驱动电阻RgH1和RgH2、下管栅极驱动电阻RgL1和RgL2、电容C1和C2、上拉电阻R1和R2、上管低损耗n沟道SiMOSFETM1和M2、下管低损耗n沟道SiMOSFETM3和M4、快恢复二极管D1和D2、上管辅助正电源VccH、下管辅助正电源VccL等组成。
SiC MOSFET的驱动IC的推荐输出驱动电压为20V/-5V。常规驱动IC需要两路电源，本文电路通过C1放电产生的负压来加速SiC MOSFET的关断，可以替代一路负电源。M1和M3的驱动信号分别取自上管驱动IC和下管驱动IC,无需额外增加驱动信号源。现以上管开通和关断过程中下管受到的正向串扰和负向串扰为例来分析本文电路的工作模态。
正向串扰抑制原理如图5所示，在上管SiC MOSFET开通时，驱动电流通过RgH1为C1充电，同时驱动电压加在M1的栅极使M1导通。由于M1导通阻抗很小，VccH提供的电流通过R1和M1流入桥臂中点，M2栅极电压小于开通电压，M2关断。上管SiC MOSFET开启的同时，下管的漏源电压迅速增大，会在CgdL上产生正向的位移电流(以向下为正)。此时下管驱动IC无电压输出，M3关断，VccL加在M4栅极使M4导通。位移电流通过M4低阻抗通路而非经过驱动电阻和下管驱动IC流向源极。下管栅极与源极之间产生一个很小的正向串扰电压，下管不会误开通，完成正向串扰抑制。
负向串扰抑制原理如图6所示，上管SiC MOSFET关断时，上管驱动IC无驱动电压输出，C1开始放电，形成负压加在上管SiC MOSFET栅极和源极之间，加速上管SiC MOSFET关断。同时由于M1栅极无电压，M1关断，VccH加在M2栅极上，M2导通，为CgdH和CgsH提供低阻抗放电通路，加速上管关断。下管漏源电压迅速下降，在CgdL上产生负向的位移电流(以向下为正)。该电流通过M4的体二极管和快恢复二极管D2而非流过下管驱动IC和下管驱动电阻，负向串扰电压显著降低，完成负向串扰抑制。
3、串扰抑制电路设计
驱动IC输出的电压为20V,为了得到-5V的关断电压，RgH1和RgH2之比应为1∶3。负压产生电路充电、放电原理分别如图7和图8所示。
本文采用型号为GC2M1000170D的SiC MOSFET为主开关管。根据参数手册可知该管Cgd为2.2pF,Cgs为212.8pF,考虑到开关管的典型关断时间为77ns,应该保证关断过程中持续有负压加速关断，且关断后负压应尽快降为0V,故以此为标准来选择C1和RgH1的值。选取C1为1.5nF,RgH1为2.5Ω,能随着主开关管的关断提供一个逐渐降低的负压加速关断。关断后C1端电压迅速降为0V,不影响开关管下次开通。
当驱动IC输出低电平时，辅助SiMOSFET的开通速度取决于驱动电阻R1的阻值，上管辅助正电源VccH通过R1给M2的栅源电容充电，充电时间为t1、电容充电时间常数为τ,其栅源电压VgsM2为
当VgsM2超过M2的开启阈值电压时，M2导通。通常低功率SiMOSFET的栅源电容一般为几十pF,开启阈值电压为1～2V,由此可以计算出R1。以MSKSEMI公司生产的SiMOSFET2N7002K为例，该管栅源极门槛电压Vgsth1为1.6V,栅源电容Cgs1为18pF。通过计算可得，在20V电源供电的情况下，选用5kΩ的驱动电阻，经过7.5ns辅助SiMOSFET开始开通。在关断加速过程中，7.5ns的开通延迟能够在77ns的典型关断时间的大部分阶段发挥作用，从而实现较好的关断加速效果。辅助电路进行正向串扰抑制时，7.5ns远远短于死区时间，能完全抑制正向串扰。
4、仿真分析
本文采用的SiC MOSFET型号为GC2M1000170D,在LTspice软件上对传统无源驱动电路和本文所提出的有源驱动电路在母线电压分别为200、400、600V,负载电感Lload为600μH的情况下进行了仿真分析。通过观测半桥电路上管SiC MOSFET在250kHz开关频率开通与关断时，下管SiC MOSFET栅源极产生的串扰电压大小来验证本文提出电路的有效性与可靠性。200、400、600V母线电压下的串扰电压仿真对比分别如图9～图11所示。通过仿真验证了该有源驱动电路能有效降低正向和负向串扰电压，且栅源电压振荡持续时间缩短，对串扰进行了有效抑制。不同驱动电路在不同母线电压下的串扰电压仿真峰值如表1所示。
表1不同驱动电路在不同母线电压下的串扰电压仿真峰值
5、实验验证
为了验证本文提出的有源串扰抑制驱动电路，搭建了如图12所示的测试平台。测试板主要元器件及设备型号如表2所示，SiC MOSFET开关频率为250kHz,占空比为50%,死区时间设置为100ns,驱动脉冲信号高电平为3.3V,驱动供电电压为20V,负载电感为600μH。
表2主要元器件及设备型号
基于搭建好的测试平台在母线电压分别为200、400、600V的情况下，对传统无源驱动电路和本文提出的有源驱动电路正向和负向串扰电压进行实验测试，得到不同驱动电路在不同母线电压下的串扰电压实测峰值，如表3所示。
表3不同驱动电路在不同母线电压下的串扰电压实测峰值
由参数手册可知，GC2M1000170D的建议栅极工作电压为-5～20V,开启门槛电压为3V。如图13所示，在母线电压为200V、上管SiC MOSFET开关频率为250kHz的情况下，传统无源驱动电路正向串扰电压峰值为2.71V,负向串扰电压峰值为-1.97V。引入有源驱动电路后正向串扰电压峰值降低为1.33V,负向串扰电压峰值降低为-1.21V,正、负向串扰电压分别降低为原来的49.1%和61.4%。两种驱动电路下的串扰电压均在安全工作范围内，引入有源驱动电路后，正、负向串扰电压明显降低。
如图14所示，在母线电压为400V、上管SiC MOSFET开关频率为250kHz的情况下，传统无源驱动电路正向串扰电压峰值为3.39V,负向串扰电压峰值为-3.67V。引入有源驱动电路后，正向串扰电压峰值降低为1.71V,负向串扰电压峰值降低为-2.12V,正、负向串扰分别降低为原来的50.4%和57.7%。传统驱动电路正向电压峰值已超过下管SiC MOSFET开启阈值，有造成桥臂直通的风险，引入有源驱动电路后，正、负向串扰电压均明显下降，栅源电压钳位在安全工作范围内。
如图15所示，在母线电压为600V、上管SiC MOSFET开关频率为250kHz的情况下，传统无源驱动电路正向串扰电压峰值为5.26V,负向串扰电压峰值为-5.68V。引入有源驱动电路后，正向串扰电压峰值降低为3.51V,负向串扰电压峰值降低为-3.57V,正、负向串扰分别降低为原来的66.7%和62.8%。传统无源驱动电路负向串扰电压已超过下管SiC MOSFET安全工作电压-5V,经有源驱动电路抑制后，负向串扰电压降低到安全工作范围内。
6、结论
本文针对半桥式电路中的串扰问题，提出了一种有源串扰抑制驱动电路。通过理论分析和仿真测试得出了串扰电压和驱动回路电阻的关系。使用辅助电源和辅助低功耗SiMOSFET组成的低阻抗放电回路，有效抑制了正向串扰；由快恢复二极管和SiC MOSFET的体二极管提供低阻抗放电回路共同抑制负向串扰。且通过阻容元件构成的放电回路替代一路负压驱动，降低驱动复杂度。在200、400、600V母线电压实验测试下均能有效抑制正、负向串扰电压。本文电路所需元件少，结构简单，无需额外控制信号，能够有效抑制正、负向串扰，在电机调速、光伏逆变器、开关电源等电力电子领域有广阔的应用前景。
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