• 头条科研简报:有源栅极驱动电路的设计流程
    2022-09-19 作者:王宁、张建忠  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语SiC MOSFET的开关轨迹优化主要分为三个步骤:①确定时间节点;②选取轨迹路径;③执行轨迹优化。开关轨迹优化的时间节点大多在电力电子变换器主电路设计完成之后,此时电路拓扑、回路寄生参数、功率器件选型、负载电流范围等因素基本落实,SiC MOSFET初始条件下的开关轨迹也随之确定,AGD可以更有针对性开展调控。

    随着SiC MOSFET的推广,其开关暂态过程中的超调、振荡以及电磁干扰问题越来越受到人们的重视。有源栅极驱动(AGD)电路作为一种新型驱动电路,已被广泛应用于SiC MOSFET开关轨迹的优化控制。

    SiC MOSFET的开关轨迹优化主要分为三个步骤:①确定时间节点;②选取轨迹路径;③执行轨迹优化。开关轨迹优化的时间节点大多在电力电子变换器主电路设计完成之后,此时电路拓扑、回路寄生参数、功率器件选型、负载电流范围等因素基本落实,SiC MOSFET初始条件下的开关轨迹也随之确定,AGD可以更有针对性开展调控。

    SiC MOSFET开关轨迹优化路径的选取是以初始轨迹以及变换器应用环境要求为导向的。

    首先,设计者需要借助CGD电路对SiC MOSFET进行双脉冲测试,以获得其初始开关轨迹下开关损耗、电气超调、电磁干扰发射强度等基本数据。

    其次,结合初始轨迹和应用场景确定开关轨迹优化的方向,电气应力、EMI强度、开关损耗的同步降低是最理想的开关轨迹,但由于降低开关速度势必会影响开关损耗,有时需要设计者确定轨迹优化的重心,例如,应用于精密仪器的电源必须以削弱EMI为导向,器件安全区裕度不足时必须以降低电气超调量为导向,而追求高效率的电力电子装置则必须以最小化开关损耗为导向。

    最后,设计者需要从初始轨迹出发,初步确定AGD电路的参数,提升AGD参数整定的效率。图1给出了SiC MOSFET最理想的开关轨迹优化趋势。

    图1 SiC MOSFET轨迹优化趋势

    暂态定位、逻辑判断、功率放大三部分共同完成了AGD的开关轨迹优化功能。目前,不同文献

    在三个模块电路的设计上均作出了不同类型的尝试。在对各设计方案进行横向对比后,给出了基于开关轨迹优化的SiC MOSFET有源驱动电路的基本设计流程,如图2所示。

    图2 AGD设计流程

    暂态定位模块的触发、逻辑判断模块的信号处理序列以及功率放大模块的可靠调节是AGD电路有效工作的必要前提。其中,环路响应的速度与对SiC MOSFET开关噪声的抑制能力是设计者选择不同模块设计方案时需要重点关注的问题。

    在功率放大模块完成对于SiC MOSFET的超调、振荡、EMI等负面效应的抑制效果后,需要对AGD操作的时序进行微调:一方面,闭环调节使得SiC MOSFET的开关速度产生变化,暂态定位点会产生一定的漂移,需要进行相应的补偿;另一方面,随着开关速度的降低,SiC MOSFET的开关损耗会上升,调节作用时间能够实现开关损耗与开关速度的折中。常用的时序微调方法有调节暂态定位触发阈值以及在逻辑处理模块中加入延时两种。

    能否适应SiC MOSFET的实际运行是衡量AGD电路质量的重要标准,不同类型的参数适应性测试是必不可少的。

    变电气参数适应性测试主要有三类:①变母线电压测试,以验证SiC MOSFET在不同电压应力条件下AGD电路的有效性;②变负载电流测试,以验证不同工作负载下AGD电路的有效性;③变无源参数测试,即在不同驱动电阻、寄生参数等条件下验证AGD电路的有效性。

    变温度参数适应性测试主要有两个目的:一方面,验证AGD中附加模拟电路在长时间工作条件下是否会产生显著温漂影响正常工作;另一方面,验证AGD能否继续适应SiC MOSFET发热所带来的轨迹漂移。变器件适应性测试则是验证AGD电路对于SiC 器件的普适性,不同型号的SiC MOSFET的开关特性有所不同,优秀的AGD电路可以在不大幅修改设计参数情况下适应不同器件。

    以上步骤基本保证AGD的可靠性,成本的校核应渗透在子模块的方案选择中,同样需要考虑。

    本文编自2022年第10期《电工技术学报》,论文标题为“基于开关轨迹优化的SiC MOSFET有源驱动电路研究综述”,作者为东南大学电气工程学院的王宁、张建忠。本课题得到了国家自然科学基金重大资助项目的支持。