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功率器件技术 SiC器件 功率模块 ★ 5.0

具有短路保护功能的串联中压SiC MOSFET双通道栅极驱动器

Advanced Dual-Channel Gate Driver With Short-Circuit Protection for Series-Connected Medium-Voltage SiC MOSFETs

作者 Rui Wang · Drazen Dujic
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年6月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件 功率模块
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 双通道栅极驱动器 中压碳化硅MOSFET 半桥功率模块 电压均衡 短路保护
语言:

中文摘要

双通道栅极驱动器(D - GD)在工业中被广泛应用,以支持半桥功率模块的大规模使用。随着碳化硅(SiC)器件在中压(MV)场景中日益普及,与传统硅基器件相比,SiC 器件具有卓越的开关性能。本文提出了一种专门针对中压 SiC MOSFET 半桥功率模块的全面 D - GD 设计方案。在高压应用中,功率器件的额定电压有限,为克服这一限制,与传统互补切换两个器件的 D - GD 不同,所提出的 D - GD 设计为同步切换这两个器件,将半桥模块等效为一个额定电压翻倍的单器件。为此,不仅需要保证两个串联器件的均压,还需确保串联连接的有效短路(SC)保护,而现有文献很少涉及这方面内容。因此,除了诸如串扰抑制、栅极保护等基本的栅极驱动器功能外,所提出的 D - GD 还集成了有源均压电路以实现均压。此外,还无缝集成了一种新颖的串联混合 SC 保护设计,实现了更快的 SC 检测和更有效的 SC 保护。本文给出了基于 3.3 kV / 750 A 半桥 SiC MOSFET 功率模块的实验结果,验证了其工作性能。

English Abstract

The dual-channel gate driver (D-GD) is widely employed in the industry to support the extensive adoption of half-bridge power modules. With the growing popularity of silicon-carbide (SiC) devices in medium-voltage (MV) scenarios known for their superior switching performance compared to traditional silicon counterparts, this article proposes a comprehensive D-GD design tailored for MV SiC mosfet half-bridge power module. To overcome the constraints imposed by the limited voltage ratings of power devices in high-voltage applications, unlike the traditional D-GD that operates by switching the two devices complementarily, the proposed D-GD is designed to switch them synchronously, aggregating the half-bridge module into a single device with doubled voltage rating. To achieve this, not only does the balanced voltage sharing of two series-connected devices need to be guaranteed, but also the effective short-circuit (SC) protection for series connection needs to be ensured, which is rarely covered in existing literature. Hence, in addition to essential gate driver features such as cross-talk suppression, gate protection, etc., the proposed D-GD incorporates an active voltage balancing circuit to realize balanced voltage sharing. Furthermore, a novel hybrid SC protection design for series connection is seamlessly integrated, achieving faster SC detection and more effective SC protection. The experimental results with a 3.3-kV / 750-A half-bridge SiC mosfet power module are presented, validating its operational performance.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,该论文提出的中压SiC MOSFET双通道栅极驱动技术具有重要的战略价值。当前我们在大功率光伏逆变器和储能变流器领域正面临从1500V向更高电压等级演进的趋势,该技术通过串联同步开关方式将半桥模块整合为倍压单元,为突破单管电压限制提供了创新路径,这与我们3.3kV以上中压产品线的技术需求高度契合。

该技术的核心价值体现在三个层面:首先,主动电压均衡电路解决了串联器件的动态均压难题,这对提升我们集中式逆变器和储能PCS的可靠性至关重要;其次,针对串联结构的混合短路保护设计填补了现有文献空白,更快的故障检测和更有效的保护机制可显著降低我们产品在电网故障工况下的损坏风险;第三,集成化的驱动方案简化了系统设计,有助于降低3.3kV/750A等大容量功率模块的应用门槛。

从技术成熟度评估,该方案已完成3.3kV级别的实验验证,具备工程化基础,但向我们6.6kV甚至更高电压等级的电力电子设备拓展时,多管串联的均压控制复杂度和保护协调性将面临挑战。此外,该技术在高频开关下的EMI抑制、长期运行的可靠性验证以及成本控制等方面仍需深入研究。

建议我们的中央研究院与该团队建立合作,重点评估该驱动技术在1500V以上光储系统中的应用潜力,特别是在海上风电制氢、大型储能电站等对功率密度和可靠性要求极高的场景中的适配性,这将为我们巩固中压大功率产品的技术领先地位提供有力支撑。