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储能系统技术 储能系统 SiC器件 多电平 ★ 4.0

一种考虑源极公共电感的SiC MOSFET多电平自驱动门极驱动器用于串扰抑制

A Multilevel Self-Driving Gate Driver of SiC MOSFET for Crosstalk Suppression Considering Common-Source Inductance

作者 Kaiyuan Hu · Ming Yang · Xinmei Zhang
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年8月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 SiC器件 多电平
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 碳化硅MOSFET 串扰电压 米勒电容 共源电感 多级自驱动栅极驱动器
语言:

中文摘要

与传统的硅基器件相比,碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)展现出更优异的特性。然而,高开关速度所导致的高电压变化率(dv/dt)使其更易受到由米勒电容和共源电感引起的串扰尖峰的影响,从而增加了功率器件误触发的风险。现有的大多数方法所采用的数学模型仅考虑了米勒电容,并且采用负关断电压方法,这会增加器件的负栅源电压应力,缩短其使用寿命。本文提出了一种同时考虑米勒电容和共源电感的串扰电压数学模型,并引入了一种多级自驱动栅极驱动器来抑制正、负串扰电压。该方法采用电阻 - 电容 - 二极管和电阻 - MOSFET 组合结构,以建立多级负关断电压和低阻抗支路,从而抑制正、负串扰电压。通过加入一个额外的电阻,形成了多级关断电压的自驱动路径,减轻了负栅源电压应力。该电路由多个无源元件组成,可集成到驱动器集成电路中,无需额外的负电压源和控制信号。基于 SCT3022AL 的双脉冲测试验证了所提方法的有效性。

English Abstract

Compared with conventional silicon-based devices, silicon carbide mosfet exhibits superior characteristics. However, the high dv/dt caused by high switching speed makes it more susceptible to crosstalk spikes caused by Miller capacitance and common-source inductance, increasing the risk of false-triggering of power device. The mathematical models of most existing methods only consider the Miller capacitance, and adopt the negative turn-off voltage method, which increases the negative gate–source voltage stress of the device and shortens service life. This article proposes a mathematical model of crosstalk voltage that takes into account both Miller capacitance and common-source inductance, and a multilevel self-driving gate driver is introduced to mitigate positive and negative crosstalk voltages. This approach employs resistor–capacitor–diode and resistor–mosfet configurations to establish the multilevel negative turn-off voltage and low-impedance branch to suppress positive and negative crosstalk voltages. Incorporating an extra resistor forms a self-driving path for multilevel turn-off voltage, mitigating the negative gate–source voltage stress. The circuit comprises several passive components that can be integrated into the driver IC, eliminating the need for additional negative voltage sources and control signals. The effectiveness of the proposed method is demonstrated through a double-pulse test based on SCT3022AL.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对SiC MOSFET多电平自驱动栅极驱动器的技术具有重要的战略价值。作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商,阳光电源正在大规模推进SiC功率器件的应用,以提升产品的功率密度和系统效率。

该技术的核心价值在于系统性解决了SiC MOSFET高速开关带来的串扰问题。传统方案仅考虑米勒电容效应,而该研究同时建模了共源电感的影响,这更符合我们在高功率密度逆变器设计中遇到的实际工况。论文提出的多电平负压关断和低阻抗支路设计,能够有效抑制正负串扰电压,降低器件误触发风险,这对提升我们1500V高压光伏系统和大容量储能变流器的可靠性至关重要。

特别值得关注的是其自驱动路径设计,通过优化电路拓扑减轻了栅源极负压应力,这将直接延长SiC器件的使用寿命,降低我们产品的全生命周期成本。更重要的是,该方案采用无源器件实现,可集成到驱动IC中,无需额外负压源和控制信号,这与我们追求高集成度、低成本的产品策略高度契合。

从技术成熟度评估,该方案已通过双脉冲测试验证,具备工程化基础。建议我们的研发团队重点关注以下方向:一是在多电平逆变器拓扑中的适配性验证;二是在宽温度范围和高湿环境下的长期可靠性测试;三是评估该技术与我们现有驱动平台的兼容性。该技术的产业化应用将有助于阳光电源在SiC技术路线上建立差异化竞争优势,加速新一代高效能源转换产品的市场布局。