（1）摘要 该文提出一种适用于SiC MOSFET的谐振门极驱动电路，所提出的驱动电路利用LC谐振网络来回收储存在门极电容中的能量，从而减小驱动损耗。首先详细分析谐振门极驱动电路的工作原理并给出了各个模态下的主要波形。然后介绍谐振门极驱动电路的设计原则，分析谐振门极驱动电路的驱动损耗。最后搭建谐振门极驱动电路的仿真模型与实验平台，从仿真结果与实验结果来看，该文所提出的谐振门极驱动电路具有良好的工作性能，驱动损耗在1MHz开关频率下降低为0.258W，提高了驱动电路的效率。
关键词：SiC MOSFET 谐振门极驱动 谐振 能量回馈
近年来，由于SiC MOSFET器件耐压高、热传导率高以及导通电阻低等特点，已被广泛应用于电机控制、无线电能传输以及并网逆变器等领域[1-6]。SiC MOSFET可以工作在极高的开关频率下，其工作频率可以达到MHz以上。但是，器件的驱动损耗与开关频率成正比关系，在高频应用场合下，SiC MOSFET的驱动损耗不可忽略。因此，驱动电路设计对于SiC MOSFET器件极其重要，它严重影响器件的工作性能。SiC MOSFET的驱动损耗为
（1）式中，Qg为SiC MOSFET门极总电荷量；fs为开关频率；VCC和VEE分别为SiC MOSFET开通和关断时候的门极电压。
SiC MOSFET传统门极驱动电路（Conventional Gate Driver, CGD）如图1所示，电路的驱动能量都被消耗在门极电阻Rg上[7]。为了减小驱动损耗，一些利用辅助元件来回收门极驱动能量的方案被提出。其中，文献[8-15]所提出的谐振门极驱动电路（Resonant Gate Driver, RGD）主要通过在驱动回路串联电感来实现能量回收。但是，文献[8-15]中所提出的谐振门极驱动电路没有负压稳定关闭SiC MOSFET，驱动的抗干扰性能差。文献[16]提出了一种带电压闭环控制的谐振门极驱动电路，它可以控制导通时驱动电压稳定，但是该驱动电路同样缺少负压关断SiC MOSFET。文献[17-18]提出了全桥结构的谐振门极驱动电路，该驱动电路可以产生正负相等的门极电压，它不适合SiC MOSFET的驱动，因为SiC MOSFET只需要较小的负压来实现关闭，大的负压会损坏SiC MOSFET的栅极。
图1 SiC MOSFET传统门极驱动电路
Fig.1 Conventional gate driver for SiC MOSFET
为了满足SiC MOSFET谐振门极驱动的要求，文献[19]采用电平移位电路来产生负压，它能够为SiC MOSFET提供合适的正向驱动电压和反向关断电压，但是，该驱动电路的驱动波形在高频应用下将会失真。文献[7, 20-21]采用双电源供电来为SiC MOSFET驱动提供合适的驱动电压，但是它们都需要4个辅助开关管来实现SiC MOSFET谐振门极驱动，这增大了设计规模与控制难度。
针对以上谐振门极驱动电路所存在的缺点，本文提出了一种SiC MOSFET谐振门极驱动电路。它仅使用3个辅助开关管即可实现SiC MOSFET谐振门极驱动，从而减小了驱动损耗。本文首先介绍所提出的谐振门极驱动电路的拓扑和工作原理；其次详细阐述了SiC MOSFET谐振门极驱动电路的设计原则，并且分析了驱动损耗的成分；再次给出了仿真结果与实验波形；最后对全文做出总结。
本文所提出的SiC MOSFET谐振门极驱动电路如图2所示，其中包括3个N型MOSFET S1～S3、一个用于回馈能量的二极管VD、谐振电感Lr、一个正电压源VCC和一个负电源VEE。图2中，Q为驱动的目标SiC MOSFET，Ciss为SiC MOSFET门极输入电容，其值等于栅源极电容Cgs与栅漏极电容Cgd之和。
图2 所提出的SiC MOSFET谐振门极驱动电路
Fig.2 Proposed resonant gate driver for SiC MOSFET
本文所提出的谐振门极驱动电路的主要波形如图3所示。其中，包括S1～S3的控制信号、电感电流iLr、二极管VD中的电流iD和SiC MOSFET门极驱动电压VGS。通过顺序切换S1～S3，能够有效地驱动SiC MOSFET。
图3 所提出的谐振门极驱动电路主要波形
Fig.3 Main waveforms of proposed resonant gate driver
图2所示的SiC MOSFET谐振门极驱动电路可分为5个工作模态，每个工作模态下的电流通路如图4所示。谐振门极驱动电路各个模态的工作原理具体如下：
模态1[t0, t1]：假设t0时刻之前，S1处于关断状态，S2处于导通状态，SiC MOSFET的门极电压被钳位在VEE，SiC MOSFET处于关断状态。t0时刻，S1导通，S2关断，SiC MOSFET门极电压由VEE上升到VCC。SiC MOSFET由关断变为开通，电流通路为VCC-S1-Ciss，其中，Ciss为SiC MOSFET门极输入电容。
图4 所提出的谐振门极驱动电路工作模态图
Fig.4 Operation modes of proposed resonant gate driver
模态2[t1, t2]：t1时刻，S3导通，电源VCC给谐振电感Lr进行预充电，谐振电感电流iLr线性增加，电流通路为VCC-S1-Lr-S3。此时，SiC MOSFET仍处于导通状态。此模态中，辅助电感预充电状态加快了SiC MOSFET的关断速度，减小了关断损耗。
模态3[t2, t3]：t2时刻，S1关断，Ciss开始放电，储存在Ciss上的能量开始向Lr中转移。SiC MOSFET的门极电压VGS由VCC变成VEE，SiC MOSFET由开通变成关断状态。
模态4[t3, t4]：t3时刻，S3关断，此模态下的电流通路为VEE-VD2-Lr-VD-VCC。存储在电感Lr中的能量开始向电源回馈，能量回馈过程减小了门极驱动损耗。
模态5[t4, t0]：t4时刻，S2零电压开通，门极电压VGS被钳位在VEE，SiC MOSFET处于关断状态。
通过以上分析可以看出，本文所提出的SiC MOSFET谐振门极驱动电路具有以下几个优势：
（1）电感电流的预充电阶段加快了SiC MOSFET关断速度，减小了关断损耗。
（2）利用谐振电感实现能量回馈减小了SiC MOSFET的驱动损耗，提高了驱动电路性能。
（3）采用负压关断SiC MOSFET可以有效地减小驱动干扰，防止SiC MOSFET由于桥臂串扰而产生误导通。
本文所提出的谐振门极驱动电路中Lr的选择会影响整个驱动电路的性能。Lr的选取必须使得SiC MOSFET的关断速度tf小于整个开关周期T的3%，所以有
（2）
（3）
式中，Ciss为SiC MOSFET门极输入电容。由式（2）和式（3）可以看出，Lr需要满足
（4）电路的驱动损耗主要包括辅助开关管S1～S3的驱动损耗Pgs、电路的导通损耗Pd、S1～S3管的开关损耗Psw以及电感上的损耗PLr。
辅助开关管S1～S3的驱动损耗Pgs为
（5）式中，Qg-S1、Qg-S2和Qg-S3分别为S1～S3管的门极总电荷；Vgs-s为S1～S3管的门极驱动电压；fs为S1～S3管的开关频率。
谐振门极驱动电路的导通损耗Pd主要包括二极管的导通损耗PD以及等效电阻上消耗的损耗PReq，它们与各模态下的电流以及等效电阻Req的大小有关。
模态1下电路的电流为
（6）模态2和模态4下的电流为
（7）
式中，ILr0为各工作模态初始时刻电感上的电流。
模态3下的电流为
（8）
式中，Vgs0为各工作模态初始时刻SiC MOSFET门极两端的电压值；w 为电流的角频率，有
（9）通过对图4的分析可知，在模态5中电路没有电流流通。因此电路的导通损耗为
（10）
而式（10）中二极管导通损耗PD为
（11）式中，Ts为一个开关周期；VD为二极管的正向导通电压。同时，驱动回路等效电阻Req上消耗的功率PReq为
（12）
通过以上分析可知，S2工作在零电压状态，所以它的开关损耗可以忽略，而S1和S3工作在硬开关状态，其开关损耗为
（13）式中，Coss(S1)和Coss(S3)分别为S1和S3的输出电容。
谐振电感Lr的损耗主要包括铜耗Pcop和磁心损耗Pcor，所以有
（14）其中，铜耗部分为
（15）
式中，Rac为电感的等效电阻；ILr_RMS为电感电流有效值。
电感中磁心损耗为
（16）式中，K1为磁心材料常量；f为工作频率；x为频率指数；B为磁通密度；y为磁通密度指数；Ve为有效磁心体积。
通过以上分析，可以算出驱动总损耗Pg为
（17）为了验证所提出的谐振门极驱动电路的性能，本文搭建了谐振门极驱动电路仿真模型与实验平台，仿真结果与实验结果将在本节中详细介绍。
本文通过Pspice仿真软件搭建了SiC MOSFET谐振门极驱动电路，仿真结果如图5和图6所示。
图5 S1～S3和SiC MOSFET驱动电压仿真波形
Fig.5 Simulation waveforms of gate driving voltage for S1～S3and SiC MOSFET
图6 电感电流iLr和二极管电流iD仿真波形
Fig.6 Simulation waveforms of inductor current iLr and diode current iD
图5为辅助管S1～S3的驱动波形以及SiC MOSFET门极电压波形，从仿真结果可以看出，通过设置S1～S3的驱动逻辑能够实现SiC MOSFET的有效驱动。图6为电感电流iLr和二极管电流iD的仿真波形。从图6可以看出，在SiC MOSFET关断后，二极管VD中将会出现正向电流iD，这表明电感能量开始向电源回馈。
同时本文也搭建了SiC MOSFET谐振门极驱动电路实验平台，如图7所示，电路的具体参数见表1。
为了验证本文所提出的谐振门极驱动电路的可行性，本文测试了谐振门极驱动电路的性能，其中S1～S3的驱动波形如图8所示，实验中，S1～S3的开关频率为1MHz。辅助管S1～S3属于贴片型小功率MOSFET，5V电压已能够满足S1～S3的驱动要求。图8中的驱动电压基本与图3中的理论波形相同，这证明了理论分析的正确性。
SiC MOSFET门极电压VGS与二极管VD中电流iD的实测波形如图9所示。从图9中可以看出，SiC MOSFET的正向驱动电压为16V，反向关断电压为-3V，它们能够有效地实现SiC MOSFET的导通与关断。与此同时，二极管VD中的正向电流iD代表着能量回馈，实验结果与理论分析和仿真结果一致。
图7 谐振门极驱动实验平台
Fig.7 Experiment platform of resonant gate driver
表1 本文所提出的谐振门极驱动电路具体参数
Tab.1 Parameters of the proposed resonant gate driver
参 数数值(型号) VCC/V16 VEE/V-3 Lr/nH120 VDRSIM S1, S2, S3IRLRU2703 SiC MOSFETSCT3080KL
图8 S1～S3管驱动实验波形
Fig.8 Experiment waveforms of gate driving for S1～S3
表2对比了不同的SiC MOSFET门极驱动电路，从表中可以看出，传统的SiC MOSFET驱动电路在高频应用下具有较大的驱动损耗。与传统的谐振门极驱动电路相比，本文所提出的谐振门极驱动电路减小了驱动损耗，使得驱动损耗在1MHz开关频率下降低为0.258W。同时，本文所提出的谐振门极驱动电路所用的辅助开关管的数量为3个，比其他带负压关断的谐振门极驱动电路少了一个辅助开关管。虽然文献[16]仅用两个辅助开关管实现了SiC MOSFET谐振驱动，但是它没有负压稳定的关闭SiC MOSFET，抗干扰性能差。
图9 门极电压VGS和电流iD实验波形
Fig.9 Experiment waveforms of gate voltage VGS and drain current iD
表2 不同结构的SiC MOSFET驱动电路对比
Tab.2 Comparisons of different gate drivers for SiC MOSFET
参数驱动损耗/W辅助开关数目负压电源 CGD0.7182√ RGD[16]0.2762× RGD[21]0.3424√ 本文提出的RGD0.2583√
注：“√”为有稳定负压电源；“×”为无稳定负压电源。
本文提出了一种高效的SiC MOSFET谐振门极驱动电路，它通过LC谐振网络减小了门极驱动损耗。同时本文详细地介绍了谐振门极驱动电路工作原理，分析了谐振门极驱动电路的设计原则以及损耗。最后，本文搭建了谐振门极驱动电路的仿真模型与实验平台，实验结果表明，本文所提出的谐振门极驱动电路的驱动损耗降为0.258W。与传统的SiC MOSFET驱动电路相比，本文所提出的驱动电路降低了驱动损耗，提高了驱动电路的性能。
参考文献
[1] Zhao Jin, Zhang Jianzhong, Zakiud D, et al. Design and implementation of high frequency power supply with constant power output for plasma appli- cations[C]//IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Portland, OR, 2018: 23-27.
[2] 王旭东, 朱义诚, 赵争鸣, 等. 驱动回路参数对碳化硅MOSFET开关瞬态过程的影响[J]. 电工技术学报, 2017, 32(13): 23-30.
Wang Xudong, Zhu Yicheng, Zhao Zhengming, et al. Impact of gate-loop parameters on the switching behavior of SiC MOSFETs[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(13): 23-30.
[3] 祁锋, 徐隆亚, 王江波, 等. 一种为碳化硅MOSFET设计的高温驱动电路[J]. 电工技术学报, 2015, 30(23): 24-31.
Qi Feng, Xu Longya, Wang Jiangbo, et al. A high temperature gate drive circuit for SiC MOSFET[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(23): 24-31.
[4] 朱义诚, 赵争鸣, 王旭东, 等. SiC MOSFET与SiC SBD换流单元瞬态模型[J]. 电工技术学报, 2017, 32(12): 58-69.
Zhu Yicheng, Zhao Zhengming, Wang Xudong, et al. Analytical transient model of commutation units with SiC MOSFET and SiC SBD pair[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(12): 58-69.
[5] 梁美, 李艳, 郑琼林, 等. 高速SiC MOSFET开关特性的测试方法[J]. 电工技术学报, 2017, 32(14): 87-95.
Liang Mei, Li Yan, Zheng Qionglin, et al. Test method for switching performance of high speed SiC MOSFET[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(14): 87-95.
[6] Zeng Zheng, Li Xiaoling. Comparative study on multiple degrees of freedom of gate driver for transient behavior regulation of SiC MOSFET[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 33(10): 8754-8763.
[7] Chennu J V P S, Maheshwari R, Li Helong. New resonant gate drive circuit for high frequency application of silicon carbide MOSFETs[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(10): 8277-8287.
[8] 郭晓君, 林维明. 新型双功率MOSFET管谐振驱动电路[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(33): 44-51.
Guo Xiaojun, Lin Weiming. A novel resonant gate driving circuit for dual power MOSFETs[J]. Pro- ceedings of the CSEE, 2011, 31(33): 44-51.
[9] 刘教民, 李建文, 崔玉龙, 等. 高频谐振逆变器的功率MOS管驱动电路[J]. 电工技术学报, 2011, 26(5): 113-118.
Liu Jiaomin, Li Jianwen, Cui Yulong, et al. Power MOSFET gate driver of the high frequency resonant inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(5): 113-118.
[10] 张之梁, 李艳楠, 徐传岗. 一种断续电流模式的新型高频电流源驱动电路[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(18): 7-13.
Zhang Zhiliang, Li Yannan, Xu Chuangang. A novel high frequency current source driver with discon- tinuous current[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(18): 7-13.
[11] Eberle W, Zhang Zhiliang, Liu Yanfei, et al. A current source gate driver achieving switching loss savings and gate energy recovery at 1MHz[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(2): 678-691.
[12] Eberle W, Liu Yanfei, Sen P C. A resonant gate drive circuit with reduced MOSFET switching and gate losses[C]//Conference of the IEEE Industrial Electro- nics Society, Paris, 2006: 1745-1750.
[13] Zhang Zhiliang, Fu Jizhen, Liu Yanfei, et al. Discontinuous-current-source drivers for high-frequency power MOSFETs[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(7): 1863-1876.
[14] Mashhadi I A, Ovaysi E, Adib E, et al. A novel current-source gate driver for ultra-low-voltage appli- cations[J]. IEEE Transactions on Industrial Electro- nics, 2016, 63(8): 4796-4804.
[15] Mashhadi I A, Rahimzadeh Khorasani R, Adib E, et al. A discontinuous current-source gate driver with gate voltage boosting capability[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(7): 5333-5341.
[16] Anthony P, Mcneill N, Holliday D. High-speed resonant gate driver with controlled peak gate voltage for silicon carbide MOSFETs[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2014, 50(1): 573-583.
[17] Fujita H. A resonant gate-drive circuit capable of high- frequency and high-efficiency operation[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2010, 25(4): 962-969.
[18] Zhang Zhiliang, Li Feifei, Liu Yanfei. A high- frequency dual-channel isolated resonant gate driver with low gate drive loss for ZVS full-bridge con- verters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(6): 3077-3090.
[19] Yu Juzheng, Qian Qinsong, Liu Peng, et al. A high frequency isolated resonant gate driver for SiC power MOSFET with asymmetrical ON/OFF voltage[C]// IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Tampa, FL, 2017: 3247-3251.
[20] Swamy M M, Kume T, Takada N. An efficient eesonant gate-drive scheme for high-frequency appli- cations[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 48(4): 1418-1431.
[21] Zhang Jianzhong, Wu Haifu, Zhao Jin, et al. A resonant gate driver for silicon carbide MOSFETs[J]. IEEE Access, 2018(6): 78394-78401.
A Resonant Gate Driver for SiC MOSFET
Abstract A resonant gate driver for SiC MOSFET is proposed in this paper. The proposed gate driver uses LC resonant network to recover the energy stored in the gate capacitor of the SiC MOSFET. Then the driving losses can be reduced. The operation principle of the resonant gate driver is analyzed in detail and main waveforms under different modes are given. At the same time, the design principle of the resonant gate driver is introduced and the driving losses of the resonant gate driver are analyzed. Finally, the simulation model and experimental platform of the resonant gate driver are built. The results show that the proposed resonant gate driver has quite good performance. The driving loss is reduced to 0.258W at 1MHz switching frequency, which improves the efficiency of the gate driver.
keywords：SiC MOSFET, resonant gate driver, resonant, energy recovery
中图分类号：TM46
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190887
国家自然科学基金（51577025）和江苏省智能电网技术与装备重点实验室课题资助项目。
收稿日期 2019-07-14
改稿日期 2019-10-29
张建忠 男，1970年生，研究员，博士生导师，主要研究方向为新能源发电和电力电子技术。E-mail: jiz@seu.edu.cn（通信作者）
吴海富 男，1995年生，硕士研究生，研究方向为SiC MOSFET驱动及其保护。E-mail: 2544981463@qq.com
（编辑 崔文静）