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储能系统技术 储能系统 SiC器件 ★ 5.0

基于硬件闭环控制的有源栅极驱动器用于具有开尔文源极连接的SiC MOSFET串扰抑制

The Active Gate Driver Based on Hardware Closed-Loop Control for Crosstalk Suppression of SiC MOSFETs With Kelvin-Source Connection

作者 Mingkai Cui · Lei Chen · Yulong Pei · Feng Chai
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
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 碳化硅MOSFET 桥配置电路 串扰 有源栅极驱动器 硬件闭环控制
语言:

中文摘要

基于开尔文源极连接的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在基于桥式配置电路的功率变换器中得到了广泛应用,但串扰会显著影响其可靠性并限制其应用潜力。针对这一问题,本文提出了一种基于硬件闭环控制的有源栅极驱动器(AGD)。设计了一种简单的硬件闭环控制器来调节碳化硅MOSFET的栅源电压。一方面,闭环结构可以在线降低串扰峰值电压。另一方面,由于闭环结构能够确保栅源电压收敛,因此可以采用更高的驱动电压来缩短开关时间和降低功率损耗。与传统方法相比,所提出的有源栅极驱动器能够在不增加开关损耗的情况下抑制串扰。实验结果验证了所提出的有源栅极驱动器在基于碳化硅MOSFET的桥式配置电路中的优越性。

English Abstract

Silicon carbide (SiC) mosfets with Kelvin-source connection are widely used in power converters based on a bridge configuration circuit, but crosstalk significantly impacts reliability and limits their application potential. For this problem, this article presents an active gate driver (AGD) based on hardware closed-loop control. A simple hardware closed-loop controller is designed to regulate the gate-source voltage of SiC mosfets. For aspect one, the closed-loop structure can reduce the peak voltage of crosstalk online. For aspect two, since the closed-loop structure can ensure the convergence of the gate-source voltage, a higher drive voltage is then permitted to shorten switching time and power loss. Compared with conventional methods, the proposed AGD can suppress crosstalk without adding switching loss. Experimental results verify the superiority of the proposed AGD for the SiC mosfet-based bridge configuration circuit.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于硬件闭环控制的SiC MOSFET有源栅极驱动技术具有重要的战略价值。在我们的光伏逆变器和储能变流器产品中,SiC器件已成为提升功率密度和效率的核心器件,但桥式拓扑中的串扰问题一直是制约系统可靠性和性能优化的瓶颈。

该技术的核心价值在于通过硬件闭环控制实现了串扰抑制与损耗降低的双重优化。传统方案通常采用增大栅极电阻或负压关断等被动方法,虽能抑制串扰但会增加开关损耗,这在我们追求99%以上转换效率的高端逆变器产品中是难以接受的。而该方案通过实时调节栅源电压,既能在线抑制串扰峰值,又允许使用更高的驱动电压来缩短开关时间,这为我们在不牺牲效率的前提下提升系统可靠性提供了新路径。

对于阳光电源的1500V高压储能系统和大功率集中式逆变器,这项技术的应用前景尤为突出。Kelvin源极连接本就是我们采用的标准配置,该驱动方案可直接集成到现有产品平台。从技术成熟度看,硬件闭环控制相比复杂的数字控制方案更易于工业化实施,响应速度快且成本可控。

然而,技术挑战也需关注:不同工况下闭环参数的自适应优化、极端温度环境下的稳定性验证,以及与我们现有驱动架构的兼容性都需要深入研发。建议将此技术纳入下一代SiC驱动平台的预研计划,优先在储能PCS等对可靠性要求极高的产品线进行验证,这将有助于巩固我们在高性能功率变换技术领域的领先地位。