关断高阻态的宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路、方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种关断高阻态的宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制方法，在传统的驱动电路结构上，并联了一路钳位开关电路，以实现在器件关断下的门极回路阻抗的控制。本发明专利技术提出的抑制方法，通过设置关断状态的高门极回路阻抗和预充电电平实现对功率半导体器件的米勒电容和共源极电感引入的串扰电压的同时抑制，弥补了传统的低阻抗回路串扰电压抑制方法的缺陷。本发明专利技术提供了高关断组态驱动电路的各个辅助开关管的控制信号生成方式及自举电路实现的辅助供电电路，以降低提出方法的复杂度，从而降低成本。本发明专利技术还可以进一步基于提出的串扰电压抑制电路设计宽禁带功率半导体半桥模块。

【技术实现步骤摘要】
关断高阻态的宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路、方法及装置
本专利技术属于大功率电力电子器件可靠运行领域，具体涉及一种关断高阻态的宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路、方法及装置。
技术介绍
功率器件开关过程产生的串扰现象是限制功率器件高速运行的主要挑战之一。串扰现象指处于关断状态的功率半导体器件受到换流回路中的其他器件开关动作影响，导致在门极回路中感应出寄生电压的现象。以半桥电路为例，在下管开关切换过程中，功率回路和驱动回路的耦合寄生参数会在上管引入寄生电压。如果感应出的驱动电压超过了门极阈值电压，会导致器件误开通，带来额外的开关损耗，严重情况甚至使得母线电容短路。如果感应出的负压超过了器件门极允许的负压范围，则对器件的长期运行带来潜在的可靠性问题，严重会导致功率器件门极的击穿，造成门极永久性损坏。相对传统硅器件，由于器件工艺及高速切换运行特性，宽禁带功率半导体器件驱动有显著不同。一方面，宽禁带功率半导体器件的切换速度远大于硅器件，导致器件的运行过程对寄生参数非常敏感，这些参数包括寄生电容和共源极回路耦合电感。另外一方面，由于宽禁带功率半导体器件门极电压开通阈值低于硅器件和门极负压的耐受能力低于硅器件。因此，关断状态驱动电压的容忍范围远低于硅器件。鉴于此，宽禁带功率器件驱动中的串扰现象已经引起了广泛的关注。由于器件串扰问题源于器件的高速切换，减小器件的开关速度是直观的方案。常用的方法为通过闭环控制电压变化率来实现串扰抑制。这类方法会降低开关速度，带来额外损耗。另一类抑制串扰电压的思路为通过门极负压驱动来提高串扰电压容忍能力，通过提前预充电荷抑制器件的误动作。该类方法效果受限于功率半导体器件有限的门极负压耐受范围。同时，由于器件的多寄生参数作用，引入的负压可能加剧串扰现象，起到相反的效果。作为改进措施，在门极回路引入低阻抗支路成为了主流解决方案。然而，从串扰电压的成因上来看，串扰电压包括两个部分。一部分为功率器件寄生的米勒电容带来的串扰电压，一部分为功率器件封装的共源极电感带来的串扰电压。从电路拓扑上看，米勒电容上的位移电流产生的串扰电压是门极电阻和结电容并联阻抗上的压降，共源极电感引入的串扰电压是门极电阻和结电容串联的电容分压，二者对门极阻抗有着不同的需求。对于共源极电感引入的串扰电压，希望关断电阻越大越好，到无穷大时，共源极电感电压与门极电容隔离，不会对串扰电压产生影响。对于米勒电容引入的串扰电压，希望关断电阻越小越好，在门极并联电容为零时，不会对门极电压产生影响。因此，传统的米勒钳位方法或采用多电平门极驱动电压方法均不适用于该场景下的串扰电压抑制。因此，需要探究新的串扰电压抑制思路来破解上述矛盾，以推动宽禁带功率半导体器件的应用。
技术实现思路
针对现有串扰电压抑制技术的缺陷，本专利技术提供了一种关断高阻态的宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路，将米勒电容和共源极电感引入的串扰电压加以解耦控制。为达到上述目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：根据本专利技术的一方面，其提供了一种门极关断高阻态的宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路，适用于高速开关下的宽禁带功率半导体器件的可靠驱动，其包括：功率半导体器件、门极开通管S1、开通电阻Ron、门极关断管S2、关断电阻Roff、门极钳位管S3、钳位电阻Rclamp、外部提供的驱动正电源VCC、外部提供的驱动负电源VEE和驱动参考地GND；其中，驱动正电源VCC与门极开通管S1一端连接，门极开通管S1另一端与开通电阻Ron一端连接，开通电阻Ron另一端连接到功率半导体器件门极；驱动负电源VEE与门极关断管S2一端连接，门极关断管S2另一端与关断电阻Roff一端连接，关断电阻Roff另一端连接到功率半导体器件门极；驱动参考地GND与门极钳位管S3一端连接，门极钳位管S3另一端与钳位电阻Rclamp一端连接，钳位电阻Rclamp另一端连接到功率半导体器件门极。作为优选，所述的功率半导体器件为宽禁带功率半导体器件，包括SiCMOSFET、GaNHEMT和SiCIGBT。根据本专利技术的另一方面，其提供了一种基于上述宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路的串扰电压抑制方法，其包括：1)功率半导体器件关断时，门极开通管S1关闭，门极关断管S2开通，功率半导体器件门极电压下降至驱动负电平电压VEE；待功率半导体器件关断完成后，门极关断管S2关闭；此时功率半导体器件门极电压等于驱动负电平VEE，功率半导体器件门极回路阻抗为高阻；此后，处于电路中其他位置的功率半导体器件开通，开通完成后延迟一段时间，门极钳位管S3短时导通后关闭，功率半导体器件门极电压被钳位到零后回到高阻状态；2)功率半导体器件开通前，门极钳位管S3短时导通后关断，将功率半导体器件门极电压钳位至0并保持高阻状态；门极开通管S1闭合，功率半导体器件门极电压通过开通电阻Ron充电，功率半导体器件开通；由此保证功率半导体器件门极回路阻抗在电路中其他功率半导体器件动作时处于高阻状态，抑制串扰电压大小。作为优选，门极开通管S1、门极关断管S2和门极钳位管S3三条信号管的控制信号，均基于功率半导体器件的脉冲开关信号(PWM)作为输入而生成，三条信号管的控制信号生成方法分别如下：所述的门极开通管S1控制信号，由脉冲开关信号经过可控的数字信号延迟单元直接生成；所述的门极关断管S2控制信号，由门极开通管S1控制信号的下降沿触发，生成可控长度的脉冲电平信号；所述的门极钳位管S3控制信号，由门极开通管S1控制信号的下降沿触发，经过数字信号延迟单元后生成可控长度的脉冲电平信号；同时由功率半导体器件的脉冲开关信号的上升沿触发，生成可控长度的脉冲电平信号；两个脉冲电平信号叠加，共同控制门极钳位管S3开关。根据本专利技术的另一方面，其提供了一种采用上述串扰电压抑制方法的宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制装置，其包括所述的宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路，以及用于生成信号管门极驱动信号的隔离电路、信号放大电路和辅助电源电路；所述门极开通管S1控制信号，先经过隔离电路，隔离电路输出信号再经过信号放大电路，生成作用于门极开通管S1门极的驱动信号；所述门极关断管S2控制信号不需要经过隔离电路，直接连接到信号放大电路，生成作用于门极关断管S2门极的驱动信号。所述门极钳位管S3控制信号，先经过隔离电路，隔离电路输出信号再经过信号放大电路，生成作用于门极钳位管S3门极的驱动信号。作为优选，三条信号管的辅助电源电路形式为：门极开通管S1的辅助电源电路由二极管和电容串联生成，二极管的阳极连接到驱动电源正电平，电容连接到门极关断管S2漏极，电容电压为辅助电路电源；门极钳位管S3的辅助电路电源由二极管和电容串联生成，二极管的阳极连接到驱动电源正电平，电容连接到反串联的信号MOSFET中点，电容电压为辅助电路电压；门极关断管S2辅助电源电路直接由VCC提供。作为优选，所述的隔离电路可以采用光耦隔离或者磁耦隔离。作为优选，由两个功率半导体器件构成半桥电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种关断高阻态的宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路，其特征在于，包括：功率半导体器件、门极开通管S

【技术特征摘要】
1.一种关断高阻态的宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路，其特征在于，包括：功率半导体器件、门极开通管S1、开通电阻Ron、门极关断管S2、关断电阻Roff、门极钳位管S3、钳位电阻Rclamp、外部提供的驱动正电源VCC、外部提供的驱动负电源VEE和驱动参考地GND；其中，驱动正电源VCC与门极开通管S1一端连接，门极开通管S1另一端与开通电阻Ron一端连接，开通电阻Ron另一端连接到功率半导体器件门极；驱动负电源VEE与门极关断管S2一端连接，门极关断管S2另一端与关断电阻Roff一端连接，关断电阻Roff另一端连接到功率半导体器件门极；驱动参考地GND与门极钳位管S3一端连接，门极钳位管S3另一端与钳位电阻Rclamp一端连接，钳位电阻Rclamp另一端连接到功率半导体器件门极。


2.如权利要求1所述的宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路，其特征在于，所述的功率半导体器件为宽禁带功率半导体器件，包括SiCMOSFET、GaNHEMT和SiCIGBT。


3.一种根据权利要求1或2所述宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路的串扰电压抑制方法，其特征在于，包括：1)功率半导体器件关断时，门极开通管S1关闭，门极关断管S2开通，功率半导体器件门极电压下降至驱动负电平电压VEE；待功率半导体器件关断完成后，门极关断管S2关闭；此时功率半导体器件门极电压等于驱动负电平VEE，功率半导体器件门极回路阻抗为高阻；此后，处于电路中其他位置的功率半导体器件开通，开通完成后延迟一段时间，门极钳位管S3短时导通后关闭，功率半导体器件门极电压被钳位到零后回到高阻状态；2)功率半导体器件开通前，门极钳位管S3短时导通后关断，将功率半导体器件门极电压钳位至0并保持高阻状态；门极开通管S1闭合，功率半导体器件门极电压通过开通电阻Ron充电，功率半导体器件开通；由此保证功率半导体器件门极回路阻抗在电路中其他功率半导体器件动作时处于高阻状态，抑制串扰电压大小。


4.根据权利要求3所述的串扰电压抑制方法，其特征在于，门极开通管S1、门极关断管S2和门极钳位管S3三条信号管的控制信号，均基于功率半导体器件的脉冲开关信号(PWM)作为输入而生...

【专利技术属性】
技术研发人员：李武华，李成敏，鲁哲别，罗皓泽，杨贺雅，李楚杉，何湘宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33