- 頭條科研簡報：有源柵極驅動電路的設計流程2022-09-19 作者：王寧、張建忠 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語SiC MOSFET的開關軌跡優化主要分為三個步驟：①確定時間節點；②選取軌跡路徑；③執行軌跡優化。開關軌跡優化的時間節點大多在電力電子變換器主電路設計完成之后，此時電路拓撲、回路寄生參數、功率器件選型、負載電流范圍等因素基本落實，SiC MOSFET初始條件下的開關軌跡也隨之確定，AGD可以更有針對性開展調控。
隨著SiC MOSFET的推廣，其開關暫態過程中的超調、振蕩以及電磁干擾問題越來越受到人們的重視。有源柵極驅動（AGD）電路作為一種新型驅動電路，已被廣泛應用于SiC MOSFET開關軌跡的優化控制。
SiC MOSFET的開關軌跡優化主要分為三個步驟：①確定時間節點；②選取軌跡路徑；③執行軌跡優化。開關軌跡優化的時間節點大多在電力電子變換器主電路設計完成之后，此時電路拓撲、回路寄生參數、功率器件選型、負載電流范圍等因素基本落實，SiC MOSFET初始條件下的開關軌跡也隨之確定，AGD可以更有針對性開展調控。
SiC MOSFET開關軌跡優化路徑的選取是以初始軌跡以及變換器應用環境要求為導向的。
首先，設計者需要借助CGD電路對SiC MOSFET進行雙脈沖測試，以獲得其初始開關軌跡下開關損耗、電氣超調、電磁干擾發射強度等基本數據。
其次，結合初始軌跡和應用場景確定開關軌跡優化的方向，電氣應力、EMI強度、開關損耗的同步降低是最理想的開關軌跡，但由于降低開關速度勢必會影響開關損耗，有時需要設計者確定軌跡優化的重心，例如，應用于精密儀器的電源必須以削弱EMI為導向，器件安全區裕度不足時必須以降低電氣超調量為導向，而追求高效率的電力電子裝置則必須以最小化開關損耗為導向。
最后，設計者需要從初始軌跡出發，初步確定AGD電路的參數，提升AGD參數整定的效率。圖1給出了SiC MOSFET最理想的開關軌跡優化趨勢。
圖1 SiC MOSFET軌跡優化趨勢
暫態定位、邏輯判斷、功率放大三部分共同完成了AGD的開關軌跡優化功能。目前，不同文獻
在三個模塊電路的設計上均作出了不同類型的嘗試。在對各設計方案進行橫向對比后，給出了基于開關軌跡優化的SiC MOSFET有源驅動電路的基本設計流程，如圖2所示。
圖2 AGD設計流程
暫態定位模塊的觸發、邏輯判斷模塊的信號處理序列以及功率放大模塊的可靠調節是AGD電路有效工作的必要前提。其中，環路響應的速度與對SiC MOSFET開關噪聲的抑制能力是設計者選擇不同模塊設計方案時需要重點關注的問題。
在功率放大模塊完成對于SiC MOSFET的超調、振蕩、EMI等負面效應的抑制效果后，需要對AGD操作的時序進行微調：一方面，閉環調節使得SiC MOSFET的開關速度產生變化，暫態定位點會產生一定的漂移，需要進行相應的補償；另一方面，隨著開關速度的降低，SiC MOSFET的開關損耗會上升，調節作用時間能夠實現開關損耗與開關速度的折中。常用的時序微調方法有調節暫態定位觸發閾值以及在邏輯處理模塊中加入延時兩種。
能否適應SiC MOSFET的實際運行是衡量AGD電路質量的重要標準，不同類型的參數適應性測試是必不可少的。
變電氣參數適應性測試主要有三類：①變母線電壓測試，以驗證SiC MOSFET在不同電壓應力條件下AGD電路的有效性；②變負載電流測試，以驗證不同工作負載下AGD電路的有效性；③變無源參數測試，即在不同驅動電阻、寄生參數等條件下驗證AGD電路的有效性。
變溫度參數適應性測試主要有兩個目的：一方面，驗證AGD中附加模擬電路在長時間工作條件下是否會產生顯著溫漂影響正常工作；另一方面，驗證AGD能否繼續適應SiC MOSFET發熱所帶來的軌跡漂移。變器件適應性測試則是驗證AGD電路對于SiC 器件的普適性，不同型號的SiC MOSFET的開關特性有所不同，優秀的AGD電路可以在不大幅修改設計參數情況下適應不同器件。
以上步驟基本保證AGD的可靠性，成本的校核應滲透在子模塊的方案選擇中，同樣需要考慮。
本文編自2022年第10期《電工技術學報》，論文標題為“基于開關軌跡優化的SiC MOSFET有源驅動電路研究綜述”，作者為東南大學電氣工程學院的王寧、張建忠。本課題得到了國家自然科學基金重大資助項目的支持。
