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1. 研究目的与意义（文献综述）
1、研究的目的和意义
1.1研究的意义
半导体技术在电力电子领域的发展过程中，发挥着越来越重要的作用。随着电子科技的不断进步，功率半导体成为电子设备中越来越重要的组成部分。自从上个世纪五十年代真空管被固体器件替换以来，以si为主要的功率半导体就成为了必不可少的一部分。在之后的二十年里，功率器件一经出现就进入了一个高速发展的时期，许多相关器件相继问世，比如igbt、gto、ipm等等。si功率器件的发展到达了一个顶峰，但由于其自身物理特性的限制，已越来越不满足日益增加的行业需求，在一些高要求的环境中已经不适用了。所以，sic的出现引发了广泛关注。sic在物理性质上具有高度稳定的晶体结构，其能带宽度几乎是si的两倍以上，因此，sic所能承受的温度更高，可达600摄氏度。sic的击穿场强是si的十倍以上，所以sic的阻断电压比si高许多。因为半导体器件的击穿场强与导通损耗呈负相关，所以在相似功率下，sic的导通损耗相比于si小很多，并且sic的导通损耗随温度的变化幅度很小。sic的热导系数可达到si的2.5倍，其饱和电子漂移也能达到si的两倍，所以sic可以工作在高频率场合。因此，深入研究sic mosfet将有利于行业发展，极大地推动了电力电子领域的进步。
2. 研究的基本内容与方案
2、设计研究的目标、基本内容、拟采用的技术方案和具体措施
2.1研究目标
传统的MOSSFET驱动电路比较简单，驱动功率MOSSFET的栅极相当于驱动容抗电路。寄生电容、驱动源阻抗都影响开关速度。如果与驱动电路不匹配，就很难充分发挥开关功率器件自身的优势。考虑到与传统Si MOSFET相比而言，SiC MOSFET的寄生电容更小，导致其对于驱动电路的寄生参数更敏感，并且SiC MOSFET栅极门限电压和栅源极的耐压都比较低，导致驱动电路的电压尖峰容易击穿栅源极的氧化层或者造成误开通，对驱动电路造成损害。因此，需要选取恰当的驱动门极电压以及必要的防串扰措施来优化设计SiC MOSFET驱动电路。
2.2基本内容
本文以传统的Si MOSFET 驱动电路为基础，提出了一种改进的SiC MOSFET栅极驱动电路并对其进行了优化设计。首先简单介绍了传统Si MOSFET驱动电路，然后对SiC MOSFET应用的缺陷进行分析和整理，提出新型的栅极驱动拓扑结构，该结构可以有效的消除串扰对功率开关器件造成的损害。分析了SiC功率开关器件的发展现状和实际应用意义。讲述了技术发展现状。对传统的Si MOSFET功率开关设备进行了分析。在此基础上分析了碳化硅(SIC) MOSFET驱动电路的设计要求，提出了一种新型的驱动方案，并对此驱动方案进行了优化设计。针对所提出的驱动方案进行了仿真和实验验证。最后对本文的研究工作进行了总结归纳，并对碳化硅(SiC) MOSFET今后的研究方向和其商业化应用进行了展望。
2.3拟采用的技术方案及措施
这里采用无源器件来制造负压以达到抑制串扰的作用，从而解决直通问题，并通过被动控制PNP型晶体管消除串扰所引起的负向驱动电压尖峰值,这一新型碳化硅(SiC) MOSFET驱动电路结构如图1所示。
图1.新型SiC MOSFET驱动原理图
具体来说，这个电路主要由三个电阻R1，R2, R3，两个电容C1,C2，一个二极管D和一个PNP晶体管Q组成。电阻R1和R2构成了一个分压电路，通过改变R1和R2的值可以得到不同的负向驱动电压值。要求足够大的电容C1以保证负压的稳定，电容C2与PNP晶体管是串联关系，当出现负向栅源极电压尖峰时可以提供一个低阻抗回路。电阻R3用来控制PNP晶体管的导通和关断，当碳化硅(SiC) MOSFET关断时，二极管D可以保证关断速度不受影响。下面对该电路的工作过程进行详细的分析。
(1)预充电过程
这一过程的主要目的是保证电容CI和C2再端的电压均为常数。在主电路开始工作前，驱动电路需要通过驱动电压源使电容获得足够的规量。
这一过程主要包括两个阶段:第一个阶段是给开关功率器件寄生电容Cgs充电。这一阶段的等效电路图如2(a)所示。为使电容C2能够得到充电，电租R3需要足够大以保证其两端电压大于PNP晶体管Q的开通电压值。然后，晶体管导通。预充电过程转向第二个阶段。
第二个阶段是给电容C2充电，这一阶段等效电路如图2(b)所示。在电容C2完成充电后，桥臂的控制信号均被拉低，桥臂上下开关管均关断。在这种情况下，电容CI提供一个负向驱动电压，PNP晶体管保持关断，主电路开始正常工作。
图2.预充电过程等效电路（a）阶段1 （b）阶段2.
(2)开关导通过程
当MOS_H开通时，开关功率器件MOS_L保持关断，部分驱动电流流经电阻R3_H，使得PNP型晶体管Q_H发射极和基极电压为正，如图3所示。处于关断状态的PNP型晶体管开通。MOS_H的栅源极寄生电容Cgs_H通过电容C2_H充电，也就是说，功率开关器件MOS_H的开通速度并不会因为R3的加入受到影响而减慢。
另一方面，下桥臂功率开关器件驱动电压会出现一个正向尖峰，电容C1_ L提供的负向驱动电压可以拉低负向尖峰值，避免直通现象的出现，保护了功率开关器件。
图3.桥臂结构开关管MOS_H导通瞬态.
(3)开关关断过程
当开关管MOS_ H关断时，电容C1_H给MOS_ H的寄生电容Cgs_ H充电，使开关管在关断时保持负压。同时，由于二极管D_ H存在内阻，三极管Q_ H的基极电压要略高于发射极电压,PNP型三极管关断,电容C2 _H并没有接入电路，因此开关管的关断速度同样不受影响,这一过程如图4所示。
(4)驱动电压负向尖峰抑制
如图5所示，当上管关断时，电感电流会通过下开关管MOS_ L的寄生二极管续流。另一方面，部分电感电流会流经开关管的寄生电容Cgs_ L从而产生负向电压尖峰。为消除此负向电压尖峰，在本文所
图4.桥臂结构开关管MOS_H关断瞬态
提出的拓扑结构中，部分电流流经电阻R3_L，使得三极管Q_L的发射极电压高于基极电压。因此，Q_L导通，C2_L连接到MOS_L的栅源极，又C2_L的容值远大于MOSFET的寄生电容Cgs_L，故在上管的关断瞬态，下管驱动电路为电感电流提供了一个低阻抗回路，从而使得驱动电压负向尖峰得到了抑制。
图5.桥式结构负向电压尖峰抑制原理
从以上分析的内容可以得到这样的结论，这种新型的SiC MOSFET驱动电路可以有效地防止误开通以及抑制串扰影响。
3. 研究计划与安排
3、进度安排
第1-2周，查阅相关文献资料；
第3-4周，撰写开题报告，2020年3月20日前，上传开题报告;每三周上传一次阶段性成果;
4. 参考文献（12篇以上）
参考文献
[1] zhang z, dix j, wang f, et al.inelligent gate drive for fast switching and cross-talk suppression of sicdevices[j]. ieee transactions on power electronics, 2017, pp(9):1-1.
[2] jorge garcia, sara saeed, emregurpinar, alberto casellazzi, pablo garcia. self-powering high frequencymodulated sic power mosfet isolated gate driver [j ieee transactions onindustry applications, 2019, 55(4);: 3967-3977.
