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一种用于硅/碳化硅混合开关的主动串扰抑制门极驱动电路
An Active Crosstalk Suppression Gate Driver Circuit for Si/SiC Hybrid Switch
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 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 SiC器件 IGBT |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 混合开关 串扰 栅极驱动电路 仿真测试 可靠性 |
语言:
中文摘要
由并联的硅（Si）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和碳化硅（SiC）金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFET）组成的混合开关（HyS），近年来因其高效率和低成本而受到越来越多的关注。然而，由于器件特性的独特表现和差异，HyS 在运行过程中产生的串扰会显著降低系统可靠性。为解决串扰问题，本文分析了 HyS 中的串扰效应，并建立了 HyS 的串扰模型。设计了一种栅极驱动电路来抑制 HyS 中的串扰，并详细阐述了其工作原理。该驱动电路简化了硬件设计，同时有效解决了 HyS 中的串扰问题。LTSPICE 仿真和双脉冲测试（DPT）结果表明，与制造商推荐的驱动和传统驱动相比，所设计的驱动分别将串扰电压尖峰降低了 13.2 V（93.0%）和 0.4 V（28.6%），电流尖峰分别降低了 5.6 A（10.8%）和 4.9 A（9.6%），关断损耗分别降低了$112~\mu$J（24.3%）和$58~\mu$J（14.3%），验证了其有效性。本研究为提高 HyS 的可靠性和实用性提供了关键技术支持，具有广阔的工程应用潜力。
English Abstract
The hybrid switch (HyS), composed of parallel-connected Si IGBT and SiC MOSFET, has gained increasing attention in recent years due to its high efficiency and low cost. However, the crosstalk of HyS during operation, resulting from the unique behavior and differences in device characteristics, significantly reduces system reliability. To address the crosstalk issue, this work analyzes the crosstalk effects in HyS and establishes a crosstalk model for HyS. A gate driver circuit is designed to suppress crosstalk in HyS, with its operating principles elaborated in detail. The driver circuit simplifies hardware design while effectively addressing the crosstalk issue in HyS. LTSPICE simulations and double-pulse test (DPT) results indicate that the designed driver reduces crosstalk voltage spikes by 13.2 V (93.0%) and 0.4 V (28.6%), respectively, compared with the manufacturer’s recommended and conventional drivers. The current spike is reduced by 5.6 A (10.8%) and 4.9 A (9.6%), respectively. The turn-off loss is reduced by 112~ J (24.3%) and 58~ J (14.3%), respectively, verifying its effectiveness. This study provides critical technical support for enhancing the reliability and practicality of HyS, offering broad engineering application potential.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项Si/SiC混合开关的有源串扰抑制技术具有重要的战略价值。当前光伏逆变器和储能变流器正面临效率提升与成本控制的双重压力，纯SiC方案虽然性能优异但成本居高不下，而Si IGBT与SiC MOSFET并联的混合开关方案恰好提供了一条兼顾性能与经济性的技术路径。
该论文针对混合开关的核心痛点——器件特性差异导致的串扰问题，提出了创新的驱动电路解决方案。实验数据显示，相比传统方案，新驱动电路将串扰电压峰值降低93%，关断损耗减少24.3%，这对提升逆变器效率和可靠性具有直接价值。特别是在大功率储能系统中，开关损耗的降低不仅能提高系统效率，还能减少散热需求，进而降低系统体积和成本。
从技术成熟度评估，该方案已完成仿真和双脉冲测试验证，硬件设计相对简化，具备较好的工程化基础。对阳光电源而言，这项技术可作为下一代中高压逆变器和储能PCS的候选方案，尤其适合应用于1500V光伏系统和大容量储能项目。
然而，技术落地仍需关注几个关键挑战：一是混合开关在全工况下的长期可靠性验证，包括温度循环、湿热等环境应力测试；二是驱动电路的EMC设计需要在实际产品中进一步优化；三是需要建立混合开关的供应链体系和质量管控标准。建议阳光电源与高校或研究机构开展联合攻关，加速该技术在百千瓦级以上功率等级产品中的试点应用，抢占技术制高点。