基于无线能量传输的双极性栅极信号驱动方法及其在高压功率半导体中的应用研究

《IEEE Access》：Bipolarization of Gate Signal of High-Voltage Power Semiconductors Transmitted by Wireless Power Transfer

本文针对高压功率半导体器件栅极驱动电路在高电位区域存在的绝缘可靠性问题，提出了一种基于振幅键控调制（ASK）的无线能量与数据同步传输（WPDT）方法。研究人员通过构建单管IGBT实验平台，对比了单极性与双极性栅极电压驱动的开关特性，发现采用双WPDT电路的方法B能将关断时间从20μs显著缩短至2.8μs。该方法无需在高压侧布置电源或精密元件，简化了绝缘结构，为高压电力电子设备提供了更可靠的栅极驱动解决方案。

　　

随着6.6kV以上电机驱动逆变器和10-1000kV高压直流输电（HVDC）变流器的广泛应用，高压功率半导体器件的栅极驱动电路面临着严峻的绝缘挑战。传统方案通常将驱动电路置于高电位区域，采用脉冲变压器、光电耦合器或隔离型DC-DC变换器实现绝缘，但在数千伏以上电压等级中，非集成式光电耦合器与绝缘变压器的使用不仅存在可靠性隐患，还存在光纤强度不足和漏电流等问题。

无线功率传输（WPT）技术因其能够消除物理接触而备受关注。近年来，虽有研究将WPT用于高压侧栅极驱动电路的供电，但仍需配合光电耦合器传输控制信号，且高压侧仍需保留完整的驱动电路。为此，东京工业大学的研究团队提出了一种创新性的驱动方案：将栅极信号发生器全部置于低压侧，通过振幅键控调制（ASK）将栅极信号加载到WPT载波上，直接驱动高压侧的功率半导体。这种方法不仅简化了高压侧电路结构，还显著提升了系统的绝缘可靠性。

为了验证该方法的可行性，研究团队首先构建了基于单极性栅极电压的WPDT驱动系统原型。实验结果表明，在栅极下拉电阻R_GE=1kΩ时，开通时间为500ns，关断时间长达20μs。过长的关断时间会导致开关损耗增加和死区时间延长，严重影响系统效率。为此，研究人员提出两种无需高压侧电源的双极性栅极电压生成方案：方法A利用缓冲电容和分压电路产生负压；方法B采用两套独立的WPDT电路分别提供正、负栅极电压。

仿真与实验结果显示，方法A由于缓冲电容充放电时间常数过大，关断时间仍达21μs，改善效果有限。而方法B通过独立控制正、负侧栅极电阻，实现了2.5μs（仿真）和2.8μs（实验）的关断时间，较单极性驱动提升了一个数量级。尽管方法B存在电路复杂、驱动功耗增加的缺点，但其关断性能已满足大多数高压应用需求。

在高压IGBT应用方面，研究还发现器件输入电容C_ies随容量增大而显著增加（C_ies[nF]=62.9P_ce^0.78）。虽然大电容有助于抑制栅极电压纹波，但也会延长开关时间。通过增强WPT电路的电流供给能力并优化下拉电阻，可有效平衡这一矛盾。此外，高压应用中通常需要延长关断时间来抑制浪涌电压，这恰好与WPDT驱动的特性相契合。

关键技术方法包括：基于振幅键控调制（ASK）的无线能量与数据同步传输（WPDT）系统构建、磁共振耦合线圈设计（载波频率213kHz）、单管IGBT实验平台搭建、双WPDT电路实现双极性栅极电压驱动、LTspice电路仿真验证。实验样本为商用IGBT（GT40QR21），通过对比传统光电耦合器驱动与WPDT驱动的开关波形，量化分析开通/关断时间特性。

II. 单极性栅极电压下的开通/关断时间研究

通过构建低压原型系统，测量WPDT驱动在单极性栅极电压下的开关特性。实验发现关断时间严重依赖下拉电阻R_GE的取值，当R_GE从10kΩ降至1kΩ时，关断时间从200μs缩短至20μs，但仍远长于传统驱动的400ns。结果表明，仅通过调整电阻无法解决关断延迟问题，必须引入负压驱动。

III. 双极性栅极电压施加方法

方法A通过分压电路为缓冲电容充电，在关断期间提供负压。仿真显示其关断时间为21μs，因电容放电时间常数过大而效果不佳。方法B采用两套WPDT电路独立生成正负电压，通过分别设置栅极电阻R_Gp=22Ω、R_Gn=100Ω，实现开通时间0.7μs、关断时间2.8μs，显著提升动态性能。

IV. 高压IGBT应用特性分析

对20种高压大容量IGBT的参数分析表明，输入电容随器件容量增大而显著增加。虽然大电容会减缓开关速度，但高压应用通常需要延长关断时间以抑制浪涌，这与WPDT驱动特性形成互补。通过优化WPT功率容量，可满足高压器件的驱动需求。

研究结论表明，基于双WPDT电路的驱动方法能有效生成双极性栅极电压，将关断时间缩短至2.8μs，且无需在高压侧布置电源或精密元件。这一突破不仅解决了传统高压驱动电路的绝缘可靠性问题，还为高压电力电子设备提供了更简洁、可靠的栅极驱动方案。该方法特别适用于对绝缘强度要求极高的场景，如高压直流输电、大功率电机驱动等领域。未来通过优化电路结构、降低驱动功耗，有望在更广泛的工业应用中发挥价值。