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一种改进的串扰抑制驱动拓扑用于相腿结构中具有快速开关瞬态的SiC MOSFET
An Improved Crosstalk Suppression Driver Topology for SiC MOSFET With Fast Switching Transient in the Phase-Leg Configuration
| 作者 | Jiaxing Ye · Mingyi Wang · Sihang Cui · Chengming Zhang · Liyi Li |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 宽禁带半导体 SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅功率转换器 栅源串扰 串扰抑制 驱动拓扑 可靠性 |
语言:
中文摘要
由具有快速开关瞬态特性的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)构成的功率变换器,在高性能、高功率应用中得到了广泛使用。驱动电路中具有高开关频率的宽禁带半导体器件在快速开关瞬态过程中极易受到栅 - 源极串扰电压的影响,这可能会导致互补桥臂出现误导通和直通现象。本文提出了一种基于晶体管和无源元件的改进型串扰抑制栅 - 源极驱动拓扑,以有效抑制电压源逆变器的串扰问题。该拓扑通过在必要时将辅助电路接入或移出栅 - 源极驱动电路,在不影响碳化硅功率器件性能的前提下,确保其正常运行。此外,辅助晶体管可根据栅 - 源极驱动电路中的串扰模式灵活调整其工作模式,无需额外的控制信号或外部激励。改进后的驱动电路利用晶体管和无源元件进行串扰抑制,在一定程度上提高了驱动系统的可靠性。最后,通过仿真和实验验证了改进型串扰抑制驱动拓扑的可行性和有效性。
English Abstract
Power converters composed of SiC mosfets with fast switching transients are widely used in high-performance, high-power applications. Wide bandgap semiconductor devices with high switching frequencies in the driver circuits are highly susceptible to the gate–source crosstalk voltages during fast switching transients, which can lead to mis-conductance and shoot through phenomena in complementary bridge arms. In this article, an improved crosstalk suppression gate–source driver topology based on transistors and passive components is proposed to effectively suppress the crosstalk issues of the voltage source inverters. It does so without compromising the performance of SiC power devices by strategically putting the auxiliary circuits into or removing them out of the gate–source driver circuits as necessary, ensuring the normal operation is maintained. Additionally, the auxiliary transistors can flexibly adjust their operating modes according to the crosstalk patterns in the gate–source driver circuits without the need for extra control signals or external excitation. The improved driver circuit uses transistors and passive components for crosstalk suppression, which enhances the reliability of the drive system to a certain extent. Finally, the feasibility and effectiveness of the improved crosstalk suppression driver topology are verified by simulations and experiments.
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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相桥臂配置的改进型串扰抑制驱动拓扑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,我们的产品正面临着功率密度提升和效率优化的双重挑战,而SiC器件的应用是实现这一目标的关键路径。
该技术直击SiC MOSFET在高频开关应用中的核心痛点——栅源极串扰问题。在我们的组串式逆变器、集中式逆变器以及储能变流器产品中,桥臂互补开关的误导通和直通现象一直是制约开关频率提升的瓶颈。论文提出的自适应辅助电路方案,通过无需额外控制信号即可灵活调整工作模式的设计,既保证了SiC器件的快速开关性能,又有效抑制了串扰,这对提升我们产品的可靠性和功率密度具有直接价值。
从技术成熟度评估,该方案基于晶体管和无源器件的实现方式具有较好的工程可行性,且已通过仿真和实验验证,可纳入我们的技术储备库进行深度评估。应用前景方面,该技术特别适合应用于我们正在开发的新一代高功率密度储能PCS和1500V光伏逆变器平台,有望将开关频率推向更高水平,减小磁性元件体积。
技术挑战主要在于辅助电路的参数优化需要针对不同功率等级和拓扑结构进行定制化设计,以及在极端温度和长期运行条件下的可靠性验证。建议我们的研发团队与该技术团队建立联系,评估在下一代产品中集成应用的可能性,这将强化我们在高性能电力电子技术领域的竞争优势。