驱动回路参数对碳化硅MOSFET开关瞬态过程的影响︱大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制专题
2017第十二届中国电工装备创新与发展论坛
会议由中国电工技术学会主办，定于2017年8月19-21日在北京铁道大厦召开，本届大会主题为“电网技术创新与电能新业态”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
清华大学电机系电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室的研究人员王旭东、朱义诚、赵争鸣、陈凯楠，在2017年第13期《电工技术学报》上撰文指出，在电力电子系统中，碳化硅（SiC）MOSFET的开关特性易受系统杂散参数的影响，表现为电磁能量脉冲形态属性的非理想特性，并进一步影响系统效率和可靠性。针对SiC MOSFET，首先分析控制脉冲、驱动脉冲及电磁能量脉冲三者间形态属性的关系，提取影响SiC MOSFET开关瞬态过程的关键参数，即开关过程中的dv/dt和di/dt。基于SiCMOSFET的开关过程，分析驱动回路参数对dv/dt和di/dt的影响，并通过PSpice仿真及搭建SiC MOSFET双脉冲测试实验平台进行分析和比较。在此基础上，对基于驱动回路参数的瞬态控制方法进行对比分析，为实际应用中对SiC MOSFET的开关特性改善提供重要的理论基础。
相较于硅（Silicon, Si），碳化硅（Silicon Carbide,SiC）材料具有更宽的禁带宽度，更高的击穿场强及更高的热传导率[1,2]。与同等硅器件相比，SiC MOSFET具有更小的结电容和导通电阻，可以实现10倍以上的开关速度[3]。因此，基于SiC器件的电力电子系统往往有更高的系统效率和功率密度[4]。
但同时更高的开关速度意味着在开关过程中有更高的dv/dt和di/dt，因而更容易受系统杂散参数的影响，表现为较强的电磁能量脉冲非理想特性，如能量脉冲的延迟和畸变。这些非理想瞬态行为威胁着电力电子系统的稳定可靠运行，容易造成器件失效和装置损坏[5]。
针对功率开关器件的开关特性控制，主要有控制算法层面、主电路层面及驱动电路层面三类控制方式。控制算法层面主要有死区控制及输出失真补偿，解决由于电磁能量脉冲延迟引起的系统故障（如桥臂直通）及输出失真问题[6-8]，但无法改善开关过程的瞬态行为，如电压、电流的尖峰和振荡现象。
主电路层面通过缓冲吸收电路抑制开关瞬态过程的过电压和过电流[9,10]，以及使用软开关技术改变功率开关器件的开关轨迹，降低开关损耗[11,12]。但两者均需在主电路侧加入无源或有源元件，造成系统体积和成本的增加，且加入的元件也往往会带来额外的损耗及过电压和过电流问题。
近年来，从驱动电路层面对器件开关瞬态过程进行控制的研究受到更多关注，主要分为变驱动电阻、变驱动电压、变驱动电流三种控制方式[13]。相比于前两类控制方法，驱动侧控制可控性更高，且无需对主电路进行改动，可减小系统体积和损耗[14]。但目前针对SiC MOSFET的驱动控制方法研究相对较少，且主要针对特定的变换器系统设计，缺乏对一般性影响规律的认识和分析。
因此，分析驱动回路参数对SiC MOSFET开关瞬态过程的影响规律，对于研究SiC MOSFET的驱动控制方法有着重要的指导意义。目前国内外在系统杂散参数对功率开关器件的开关特性影响方面进行了广泛的研究，取得了较大的进展。
文献[15]通过实验的方法研究了驱动回路、主回路以及共源极杂散电感对MOSFET开关特性的影响。文献[16,17]分阶段对MOSFET的开通关断过程建立了分析模型，比较全面地研究了杂散电感、器件结电容以及驱动电阻对开关特性的影响，并进行了实验验证。但是所建立的分析模型比较复杂，难以直观地反映杂散参数的影响规律。
文献[18]研究了非线性结电容对于SiC MOSFET开关瞬态过程的影响，并提出了改进的开关仿真模型，但并未考虑驱动回路的影响。文献[19]研究了SiC器件由于驱动电压振荡引起的自维持振荡现象，类似的稳定性问题也在SiC MOSFET模块中进行了研究[20]。然而这些研究主要针对一些特定的问题进行，对驱动回路参数的影响分析不够全面，也不具有一般性。
本文在上述研究工作的基础上，分析控制脉冲、驱动脉冲和电磁能量脉冲的相互关系，提取影响SiC MOSFET开关瞬态过程的关键参数，即开关过程中的dv/dt和di/dt。通过理论分析和实验验证，分析了驱动回路参数对dv/dt和di/dt的影响规律，并对比分析了各驱动参数对开关瞬态行为的可控性及对系统性能的影响规律。
图1 考虑杂散参数的双脉冲测试电路
结论
本文对SiC MOSFET的开关瞬态过程进行了研究，通过分析控制脉冲、驱动脉冲及电磁能量脉冲间的延迟与畸变关系，提取出影响开关特性的关键控制参数，即开关过程中的dv/dt及di/dt。结合SiC MOSFET的开关过程，对影响dv/dt及di/dt的主要因素进行了理论分析，并通过双脉冲测试的仿真与实验结果，分析比较了不同驱动回路参数对SiC MOSFET开关过程中dv/dt及di/dt的影响。
结果表明，通过改变驱动参数控制dv/dt及di/dt，可以弥补宏观调制算法无法控制功率开关器件瞬态开关过程的不足，是改善开关特性的有效方法。本文进一步从可控性及系统性能影响的角度对基于Rg、Cgd、Cgs的瞬态控制方法进行了对比分析，其结果可为SiC MOSFET及类似的Si MOSFET或IGBT开关特性的改善而选择有效的瞬态控制方法提供重要的理论基础。