SiC_MOSFET自调节有源栅极驱动电路研究与设计.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

宽禁带器件的应用是电力电子行业的未来趋势，现代电力行业需要高效功

率转换器，用于分布式发电、电动汽车、储能系统和电动飞机等应用中，降低

系统的体积和成本。宽禁带功率器件，如SiCMOSFET，由于其本征器件寄生

效应较小，因此开关瞬态时间更短，更适合高频应用场景。由于杂散电感和极

高的开关速度，SiCMOSFET在高频工作时会产生过流和过压，导致严重的电

磁干扰(EMI)问题。使用无源方法可以解决这个问题，但是会影响电路的效率，

为了提高SiCMOSFET的性能，有源栅极驱动电路的研究受到了广泛关注。

首先，为了准确预测SiCMOSFET的开关特性，提出了一种考虑寄生参数

的基于数学建模的SiCMOSFET功率器件分析模型，对SiCMOSFET的开关过

程子阶段进行建模和分析。并对模型中的非线性电容和寄生电感参数进行拟合

和提取。为了研究电路参数的变化对功率器件的开关特性影响，仿真得到了电

路参数变化的影响规律，为带有辅助支路的有源驱动电路的提出提供了依据。

其次，在分析SiCMOSFET开关过程的模型和电路参数影响的仿真结果后，

根据对栅极驱动电流的作用分析，提出了一种带有辅助支路的SiCMOSFET有

源驱动电路。通过控制辅助驱动支路的导通与关断的时序，达到了同时减少SiC

MOSFET开关损耗和电压与电流过冲的目的。在LTspice中搭建了双脉冲模型

进行仿真验证了其有效性。设计了带辅助支路的有源栅极驱动器硬件电路，与

传统有源栅极驱动电路在不同负载条件下进行对比，进一步验证了有效性。对

比了不同辅助支路驱动电阻对调控的影响，为辅助驱动电阻的选取提供了设计

参考。

最后，在带辅助支路的有源栅极驱动电路的基础上，采用准闭环的控制方

法和基于查找表的自调节方案设计了具有自调节功能的有源栅极驱动器。设计

了集成ADC的FPGA控制器，并对所需功能进行了程序编写与验证。搭建了

全桥逆变电路硬件实验平台，在不同电压和电流工况下传统有源栅极驱动电路

进行对比，验证了自调节有源驱动电路的有效性。

关键词：SiCMOSFET；寄生参数；数学建模；有源栅极驱动；自调节

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哈尔滨工业大学硕士学位论文

Abstract

Theapplicationofwidebandgap(WBG)devicesisthefuturetrendofpower

electronicsindustry.Modernpowerindustryrequireshigh-efficiencypower

convertersfordistributedgeneration,electricvehicles,energystoragesystemsand

electricaircrafts,etc.,toreducethesystemsizeandcost.Widebandgappower

devices,suchasSiCMOSFETs,havelowerintrinsicdeviceparasitics,thusshorter

switchingtransienttime,moresuitableforhigh-frequencyapplications.Duetothe

parasiticinductanceandhigh-speedswitching,SiCMOSFETsgenerateovercurrent

andovervoltagewhenoperatingathighfrequency,resultinginserious

electromagneticinterference