摘要：
与传统硅基器件相比，碳化硅(SiC)器件的开关速度得到大幅改善，提高了变换器的功率密度与效率。然而过大的开关频率引起更为严重的栅极串扰问题，造成器件失效。分析了SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的开关过程与串扰产生原理，详述其设计过程，分析了外并电容的抑制串扰驱动电路，最后设计出一种带有信号隔离功能的可抑制栅极串扰的负压驱动电路。实验结果表明，所设计的SiCMOSFET驱动电路的驱动波形高低电平分明，而且有效抑制了栅极串扰问题，大幅减小器件的开关延时时间，降低了开关损耗。
引言
宽禁带、高掺杂浓度的SiC器件具有高频率、耐高压以及耐高温的优点，被广泛应用于功率变换器。然而过快的开关速度导致器件承受更大的电压电流变化量，加之电路上的寄生参数不能完全消除，会引发严重桥臂串扰问题，导致器件失效。目前抑制桥臂串扰问题，常采用增加驱动电阻、器件栅源极并联外部电容方法，然而这些方法大都制约了器件的开关速度，增加了损耗。
为了不牺牲器件的开关速度，充分发挥SiCMOSFET半导体器件的优良特性，详细分析了SiCMOSFET开关特性及串扰产生原因，得到驱动电路的设计要求，详述驱动电路的设计原理，针对桥臂串扰问题，提出一种基于负压关断的新型抑制串扰驱动电路，并与常规驱动电路进行实验对比，最终验证了所设计的驱动电路的有效性。
SiCMOSFET的开关过程及驱动要求
SiCMOSFET的开通原理及过程见图1。图中，V₁,V₂分别为SiCMOSFET上、下管，Rgin,C₁,CgH,C1分别为V₁内部寄生的电阻、栅源电容、栅漏电容、漏源电容，Rg为V₁栅极驱动电阻，Rgin₂,C²,C,C分别为V₂内部寄生的电阻、栅源电容、栅漏电容、漏源电容，Ucc,Ucc为正向开通电压，Uccz,Ucc₄为负向关断电压，R₂为V₂栅极驱动电阻，L为负载电感，C为母线电容，Upc为直流母线电压，I为负载电流，U↓为开关管阈值电压，um₂,ud2,ia分别为V₂的栅源极电压、漏源极电压、漏极电流，u₁为V₁的栅源极电压。
to~t₁阶段初始V₁,V₂都处于关闭状态，在to时刻，控制器输出跳变3.3V的方波给V₂推挽放大电路，u2开始升高，通过R2给下管输入电容C₂(C₂=Cg+Cg₂)充电，在ug₂升至Uh前，ud₂保持不变，漏极电流i为零。若忽略栅极寄生电感，则ug₂计算表达式为：
t₁~t₂阶段t₁时刻，u2升至Uh,下管开始导通，此时i:开始升高且主要是沟道电流，i的变化在L上产生压降，导致ud₁迅速升高，造成V₁的寄生电容Cgd被充电，其充电电流在R与Rgin上产生了压降，使u₁增高，有可能导致上管栅源极电压超过器件的阈值电压，造成两开关管直通。其中i出上升阶段计算公式与u₂下降计算公式为：
t₂~t₃阶段t₂时刻，i升至I,ug₂暂时保持不变，此时出现一个平台期(米勒平台)。在米勒平台期间，栅极电流仅给下管米勒电容C充电。
t₃~t4阶段米勒平台结束，ud₂降至开关管导通压降，驱动电路持续给下管的输入电容C充电，最终下管的u2上升至最大驱动正电压。
SiCMOSFET的关断过程为开通过程的逆过程，即为输入电容C:放电过程，开关过程原理相似，则不在此叙述。
SiCMOSFET的驱动要求
SiCMOSFET的开关行为与驱动电路紧密联系，通过对其开关过程以及器件特性进行分析，可以得到以下驱动电路的设计要求：①驱动电路的本质是控制电路与功率变换电路中间的信号放大电路，由于两端压差较大，为防止功率变换电路对控制电路弱电部分造成干扰，故驱动电路需要有良好的信号隔离功能；②SiCMOSFET的开关过程实际上就是对C充放电的过程，驱动电路需要提供足够的驱动电流；③由于SiCMOSFET开关速度较快且阈值电压与最大负向耐压较小，容易受到互补桥臂串扰的影响，造成开关管的误导通以及负向电压击穿[3-4],所以驱动电路需要具有良好的抑制串扰能力；④为了使SiCMOSFET导通完全且抑制正向串扰误导通，驱动电路需要设置合适的正向开通电压及负向关断电压。
SiCMOSFET的驱动电路设计
以升压斩波器SiCMOSFET功率模块MSC70-SM120JCU2为例，对驱动电路进行设计研究，其主要参数如下：输入电容C=3020pF,输出电容C=270pF,反向传输电容C=25pF,阈值电压U=2.8V,最大栅源极电压U(mx)为-10V/25V,栅极内阻Rgin=0.88Ω。
所设计的SiCMOSFET的驱动电路主要由信号隔离电路、驱动放大电路以及抑制串扰驱动电路3部分组成，其电路图如图2所示。
信号隔离
驱动电路信号隔离常采用光耦隔离、磁耦隔离、容耦隔离3种方式。表1列出了3种隔离方式所对应的隔离芯片及参数信息。三者隔离电压相比较，容耦隔离芯片隔离电压较低，所采用的SiCMOSFET功率器件漏源极最大承受电压1200V,隔离电压2500V(rms)满足要求；容耦隔离与磁耦隔离芯片的传输延时相对较小，但磁耦隔离芯片共模抑制比较低，抗干扰能力较弱；三者最大脉宽失真相近。综合考虑3款芯片的各项参数及布设电路的复杂难易，最终采用容耦隔离芯片ISO7221C对控制电路与功率变换电路进行信号隔离。
驱动放大电路
SiCMOSFET具有较低的沟道迁移率，为使其通态电阻降低，需要较高的栅源极电压。由功率器件MSC70SM120JCU2输出特性可知，当栅源极电压高于18V时，该器件接近饱和，又因SiCMOSFET阈值电压较低，为了防止正向串扰误导通，需设置合适的负向关断电压。最终选用MGJ2D122005SC隔离门极驱动DC/DC转换器，可提供正向开通电压20V,负向关断电压-5V。
由第2.1节对SiCMOSFET开关过程的分析可知，驱动电流ig对开关管栅源极电容C与其米勒电容C进行充电。则ig计算公式为：
为了提供足够的驱动电流，最终选用输出峰值电流可达9A的IXDN609SIA驱动放大芯片。
抑制串扰驱动电路
外并电容抑制串扰驱动电路
外并电容抑制串扰驱动电路(开关管栅源极并联外部电容)如图3所示。
该电路工作原理为：V₁,V₂处于关断状态时，控制器给V₂一个开通信号，V₂逐渐导通，V₁的漏源极电压快速增大，导致Ca被充电，Cg的充电电流通过开关管栅源极并联的外部电容C₁进行分流，减小了栅极回路阻抗，从而抑制V₁的正向串扰电压，防止两管直通。同理，在V₂关断时，上管米勒电容Cg的放电电流通过C₁进行分流，栅极回路阻抗降低，抑制了V₂关断瞬间引发的互补管的负向串扰电压。然而此方法增加了等效输入电容Cis,增加了充放电时间，减缓了开关速度，增大了开关损耗。
新型抑制串扰驱动电路
为降低外并电容抑制串扰驱动电路的开关延时，减小开关损耗。在采用-5V负向关断电压基础上，提出一种抑制串扰驱动电路的新设计，电路如图4所示。该电路由P沟道MOSFET,PNP三极管、肖特基二极管、外部电容、驱动电阻组成。
该电路工作原理为：V₁,V₂处于关断状态时，当V₂开通瞬间，V₁的漏源极电压上升，上管的寄生电容Cga被充电，致使驱动电阻Rg上产生压差，三极管VT发射结正偏开通，外部电容C₁接入栅极回路，Cgd的充电电流通过电容C₁分流，降低了V₁的正向串扰电压尖峰。控制器在给V₂发出关断信号时，给上管P沟道的MOSFET一个开通信号，持续时间约113ns,此开通信号同样经过双通道容耦隔离芯片ISO7221C进行信号隔离，当上管的米勒电容Cgd放电时，因为上管P沟道的MOSFET开通，外部电容C₁接入栅极回路，减少了回路阻抗，抑制了V₁的负向串扰电压尖峰。
实验验证
此处以升压斩波器SiCMOSFET功率模块MSC70SM120JCU2为例，验证电路设计有效性。新型抑制串扰驱动电路中器件的主要参数：Rg=R₂₂=10Ω,C₁=C₂=100nF,Ucc=Ucc=20V,Ucc=Ucc=-5V。
当开关频率设为100kHz,设计的SiCMOSFET驱动电路的上、下开关管的开通关断驱动波形如图5所示。其驱动波形高低电平分明，上升及下降沿陡峭，开关速度快，驱动电路开关特性良好。
搭建双脉冲测试实验电路，对不加抑制串扰驱动电路(栅极回路中只有驱动电阻R)、外并电容抑制串扰驱动电路、新型抑制串扰驱动电路进行对比实验。其中在双脉冲测试实验电路中，L=400μH,UDc=400V,C=470μF。不加抑制串扰驱动电路的器件主要参数为：R=Rg₂=10Ω,Ucc₁=Ucc₃=20V,Uccz=
Ucc=-5V。外并电容抑制串扰驱动电路的器件主要参数：Rg₁=Rg=10Ω,R₁=R₂=10Ω,C₁=C₂=10nF,Ucc₁=Ucc₃=20V,Ucc₂=Ucc=-5V。 图6~8分别为这3种抑制串扰驱动电路开通、关断过程实验波形。
其中图6为不加抑制串扰驱动电路实验波形，图7为外并电容抑制串扰驱动电路实验波形，图8为新型抑制串扰驱动电路实验波形。
由实验结果分析可知，不加抑制串扰驱动电路产生的串扰电压峰值分别为3.9V,-16.4V,容易造成桥臂开关管直通与负向击穿，导致开关管失效。外并电容抑制串扰驱动电路产生的串扰电压峰值分别为-2.5V,-8.2V,抑制串扰效果明显，但是开关延时时间较长，开关速度慢。所设计的抑制串扰驱动电路产生的串扰电压峰值分别为-2.1V,-8V,与外并电容驱动电路方式抑制串扰效果相近，但开通与关断延时时间分别降低46%,66%,减小了开关损耗。
结论
通过分析SiCMOSFET开关特性及串扰产生原因，得出SiCMOSFET的驱动电路的特殊设计要求，并设计出了带有信号隔离功能、采用-5V负压关断的新型抑制桥臂串扰的SiCMOSFET驱动电路。详述了隔离芯片、驱动放大芯片的选型以及抑制串扰驱动电路的原理。对比3种驱动电路方案的实验结果表明，所设计的SiCMOSFET驱动电路能够有效抑制正负向串扰电压且大大降低了开关延时及损耗，具有较高工程应用价值。
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