*本論文摘要由PCIM官方授權發布

內容摘要

每個功率開關都需要一個驅動電路，這是必要的，但容易被忽視。柵極驅動電路對功率器件的開關過程有著非常重要的影響，本文分析了驅動電路的輸出能力和雜散參數這兩個參數。本文以 SiC MOSFET關斷過程為基礎，分析了與驅動電路輸出能力和雜散參數相關的影響因素，并通過理論分析和仿真結果進行驗證。此外，還列出了柵極驅動器回路設計技巧，以提供一些建議。

引言

如今，隨著能源結構的發展，電動汽車和可再生能源以其高效率、低污染的特點越來越受到人們的青睞[1]。在這些應用中，功率開關是最重要的組件之一，功率開關的性能將決定整個系統的性能。

柵極驅動器電路是每個功率開關所必需的，柵極驅動器的能力和性能對功率器件的性能，尤其是開關性能非常重要。

SiC MOSFET具有開關速度快、擊穿電壓高、開關損耗低和導熱性好等優點，被廣泛應用于電動汽車和可再生能源領域[2]。然而，由于開關速度較快，較高的dv/dt和di/dt會對柵極驅動回路和功率回路雜散參數造成較嚴重的影響，包括擊穿、振蕩、超標等[3-4]。

柵極驅動器要實現更好的性能，有兩個要點。一個是輸出能力，另一個是雜散參數。本文首先介紹功率器件的基本開關過程，然后分析對于輸出能力和雜散參數的影響因素。

開關過程

圖1.a顯示了圖1.b中S2的關斷過程。

在t0-t1時，柵極充電速度會影響驅動器延遲時間，但不會影響開關性能。

在t1-t2階段，開關工作在線性區，vgs與vds和ids有關。這一過程可表示為方程(1)。這里的k與器件結構和材料有關。

（a）

（b）

圖1.S2的關斷過程

在t2-t3階段，開關工作在飽和區，vgs與ids的關系如式（2）所示。然而，如圖2所示，這一時期的vds受到兩個環路的限制，一個是柵極驅動器環路，另一個是功率環路。更多細節將在論文全文中給出。

圖2.t2-t3期間vds的雙環限制

在t3-t4階段，vgs和ids下降，開關管通道仍然導通，vds在此階段沒有變化。t4-t5期間，vgs下降，開關管通道不再導通。

輸出能力

柵極驅動器的輸出能力需要在設計過程中進行檢查，但這一點很容易被忽視，尤其是在參考原有的設計進行新系統的更新設計時。

本節將介紹影響驅動輸出能力的因素以及輸出能力對開關過程的影響。

影響輸出能力的因素

表1列出了與驅動輸出能力有關的因素，詳細情況和數學分析將在論文全文中列出。

表1.影響輸出能力的因素

輸出能力的影響

這部分將使用SPICE模型和Simetrix的仿真結果，以說明驅動輸出能力的影響。

柵極驅動器雜散參數

柵極驅動器雜散參數會影響柵極電壓和柵極電流波形，可能導致意外的開關動作。

影響雜散參數的因素

表2列出了與雜散參數有關的因素，詳細內容和數學分析將在論文全文中列出。

表2.影響雜散參數的因素

雜散參數的影響

我們將展示使用SPICE模型和Simetrix的仿真結果，以說明驅動回路雜散參數的影響。

柵極驅動器電路設計

為了實現更理想的開關行為，在設計過程中需要檢查一些工作。除此以外，還可以依據一些設計技巧，以輕松實現調整目標。

1.在柵極上添加齊納二極管。

2.柵極和源極之間并聯電阻。

3.柵極和源極之間并聯電容。

4.輔助電源Vcc的并聯電容。

5.源極回路中增加電阻或磁珠

更多信息將在論文全文中提供。

結論

本文以SiC MOSFET為例，分析了柵極驅動回路設計的關鍵痛點。通過數學公式和仿真結果，給出了對于驅動輸出能力和雜散參數的影響因素，并說明了這兩個痛點的影響。最后，給出了柵極驅動電路的設計技巧，以便在設計過程結束后仍能輕松調整，從而有助于在系統層面取得更好的調試結果。

參考文獻

[1] A.Kumar 和 L. B. Prasad，"電動汽車的問題、挑戰和未來前景：2018 國際計算、電力和通信技術會議（GUCON），印度大諾伊達，2018 年，第 1060-1065 頁。

[2] She X, Huang A Q, Lucia O, et al. Review of silicon carbide power devices and their applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(10)：8193-8205.

[3] Zhang Z, Wang F, Tolbert L M, et al. 有源柵極驅動器用于抑制相腳配置中的碳化硅器件串擾[J]. IEEE Transactions on Power

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[4] Ando M, Wada K. 基于電力電子電路縮放方法的可接受雜散電感設計[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in

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