← 返回
具有独立抑制过冲与振荡功能的有源栅极驱动器
Active Gate Driver With the Independent Suppression of Overshoot and Oscillation for SiC MOSFET Modules
| 作者 | Qiang Li · Yuan Yang · Yang Wen · Guoliang Zhang · Wenbin Xing |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial 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 过冲与振荡 有源栅极驱动器 开关性能 开关损耗 |
语言:
中文摘要
碳化硅（SiC）金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFET）具有开关速度快、击穿电压高和导热性能优异等特点，广泛应用于功率变换器中，以提高其转换效率、功率密度和可靠性。然而，高电压变化率（dv/dt）和高电流变化率（di/dt），再加上寄生电容和电感，使得电压和电流更易出现过冲和振荡，这可能导致电应力、电磁干扰（EMI）和额外的能量损耗。本文提出一种具有过冲和振荡独立抑制功能的有源栅极驱动器（IS - AGD），以改善碳化硅MOSFET模块的开关性能。建立了过冲和振荡的等效模型。基于这些模型，提出并讨论了调制策略。最后，在不同栅极电阻、负载电流和温度条件下，使用1.2 kV/120 A的碳化硅MOSFET模块对所提出的IS - AGD进行了实验验证。实验结果表明，所提出的IS - AGD能够降低电压和电流的过冲与振荡。与传统栅极驱动器（CGD）相比，在不同的电压和电流过冲情况下，IS - AGD还能降低开关损耗和延迟时间。此外，还讨论了优化考虑因素，以指导实际应用。
English Abstract
Silicon carbide (SiC) MOSFET featuring faster switching speed, higher breakdown voltage, and excellent thermal conductivity is widely used in power converters to improve their conversion efficiency, power density, and reliability. However, high dv/dt and di/dt, along with parasitic capacitance and inductance, are more prone to overshoot and oscillation in both voltage and current, which can result in electrical stress, electromagnetic interference (EMI), and additional energy loss. This article proposes an active gate driver with the independent suppression of overshoot and oscillation (IS-AGD) to improve the switching performance of SiC MOSFET modules. Equivalent models for the overshoots and oscillations are built. Based on the models, the modulating strategy is presented and discussed. Finally, the proposed IS-AGD is experimentally verified with a 1.2 kV/120 A SiC MOSFET module under different gate resistances, load currents, and temperatures. The experimental results show that the proposed IS-AGD can reduce the overshoots and oscillations in voltage and current. Compared with the conventional gate driver (CGD), the switching loss and delay time are also decreased by the IS-AGD under different voltage and current overshoots. In addition, optimization considerations are discussed to guide practical applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项SiC MOSFET主动栅极驱动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，我们的产品正面临更高功率密度、更高效率和更严格EMI标准的市场需求，而SiC器件的应用是实现这些目标的关键路径。
该技术针对SiC MOSFET开关过程中的过冲和振荡问题提出了独立抑制方案，这直接切中了我们在大功率逆变器和储能变流器开发中的核心痛点。在我们的1500V光伏逆变器和大型储能PCS产品中，SiC器件的高dv/dt和di/dt特性虽然带来了开关速度优势，但也导致了电压电流过冲、EMI问题和额外损耗，影响系统可靠性和电网兼容性。论文提出的IS-AGD技术通过建立等效模型并实施调制策略，在1.2kV/120A模块上验证了同时降低开关损耗和延迟时间的能力，这对提升我们产品的转换效率和功率密度具有直接价值。
从技术成熟度看，该方案已完成不同栅极电阻、负载电流和温度条件下的实验验证，具备较好的工程应用基础。对阳光电源而言，关键机遇在于将此技术集成到我们的模块化逆变器和储能系统中，进一步提升产品竞争力。潜在挑战包括：驱动电路的成本增加、多并联SiC模块场景下的一致性控制、以及在户外极端环境下的长期可靠性验证。建议我们的研发团队深入评估该技术与现有产品平台的兼容性，特别是在大功率集中式逆变器和MW级储能系统中的应用潜力，同时关注成本优化和供应链整合的可行性。