碳化硅器件的驱动装置

1.本发明涉及轨道交通电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种碳化硅器件的驱动装置。


背景技术：

2.轨道交通用的碳化硅(sic)材质的mosfet在被使用之前需要经过性能的评估，包括动态参数和静态参数的测试，其中动态参数测试需要被测器件、激励源、采集系统、分析系统、驱动器、电源几个重要部分组成的测试平台，如图1所示。采集系统、分析仪器、电源、激励源均为通用设备，可以快速的由实验室常用仪器搭架。而驱动器则会因为被测器件的不同功率等级、电压等级，以及封装结构而有所区别，属于非通用部件。在实际的开发选型过程中，往往需要根据被测器件的封装重新设计开发驱动器或者设计转接板，通常在具备成熟驱动器开发的技术积累前提下，开发一款用于测试的驱动器需要至少4周以上时间，这就影响了一些项目开展的进度，如果设计转接板则会引入分布电容电感的干扰，影响测试结果甚至损坏器件。
3.解决现有碳化硅mosfet器件测试中如何快速适配驱动器和被测器件的问题。快速搭建碳化硅器件测试台架时，实现驱动器和被测器件之间，使用一定长度的线缆和接触点夹具实现电气连接，同时保证电气性能不变，而影响电气性能的主要因素是分布参数，包括分布电感和分布电容。驱动器与被测器件连接示意图如图2所示，只显示器件的一个桥臂桥臂。激励信号源与驱动器之间一般采用光纤连接实现电气隔离。驱动器需要连接桥臂中一个mosfet的d、g、s三个引脚，连接线
①
、
②
、
③
自身存在分布电感，并且连接线之间以及连接线与其他导体之间会形成分布电容，杂散电感和分布电容示意图如图3所示特别是用于传输驱动信号的连接线
②
，其分布参数会造成驱动信号的线性失真，例如出现尖峰、出现延迟。在双管测试中还可能由于两路波形出现的延迟不一致造成死区时间控制不足，损坏器件，因此在利用线缆临时搭建测试，影响测试的结果。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，提供一种可以不受限于被测器件的封装，快速搭建测试平台的碳化硅器件的驱动装置。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种碳化硅器件的驱动装置，包括控制器、数字信号输出模块、电光转换模块、光电转换模块和输出级模块；
6.所述控制器包括单片机，所述控制器用于实现波形脉宽或周期变换、添加时延、死区控制处理；
7.所述数字信号输出模块用于驱动后级的电光转换模块；
8.所述电光转换模块包括红外发光led集成光纤耦合连接器，所述红外发光led集成光纤耦合连接器由数字缓冲器输出的电信号驱动led发光，实现电光转换，并输出光纤进行信号远距离传输；
9.所述光电转换模块包括光电三极管集成光纤耦合连接器，所述光电三极管集成光纤耦合连接器接收光信号转化为电信号并输出给输出级；
10.所述输出级模块用于与被测器件mosfet连接，输出级模块用于使mosfet的输入电容充满电，且及时打开，输出电流，实现输出级增加信号的驱动。
11.按上述方案，控制器接收到激励信号源的信号之后进行脉宽调整、添加时延、死区控制处理，然后信号通过数字信号输出模块和电光转换模块转化为光信号，光信号经过光纤传输到光电转换模块，经过光电转换后成为数字电信号，再经过数模转换器后生成模拟信号，经过输出端驱动被测器件mosfet。
12.按上述方案，所述单片机的脉冲输出io之后设有窄脉冲发生器。
13.按上述方案，所述窄脉冲发生器包括电阻r和电容c构成的延时电路以及一个与门。
14.按上述方案，所述延时电路会产生一个延时t，满足以下公式：
15.δt＝-ln(1-0.2vt)
16.其中，vt为与门的阈值电压，vs为输入宽脉冲信号，以vs的脉冲宽度为t0，则经过rc电路后会产生延时δt；原始信号与延时后的信号经过与门进行逻辑与计算后得到宽度为t2的窄脉冲，t2的宽度计算公式如下：
17.t2＝t0-δt。
18.实施本发明的碳化硅器件的驱动装置，具有以下有益效果：
19.本发明可以降低传统驱动电路与被测器件之间由于线缆连接而引入的失真，光纤传输的引入可以实现自由且长距离的连接，便于快速搭建碳化硅mosfet器件的动态测试平台，不必投入过多精力开发新的驱动电路，提高原型机和器件选型阶段的工作效率。
附图说明
20.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
21.图1是现有的sic的动态参数测试平台的结构示意图；
22.图2是现有的驱动器与被测器件连接示意图；
23.图3是现有的分布电容和分布电感示意图；
24.图4是现有的通用型驱动器的电气架构示意图；
25.图5是本发明碳化硅器件的驱动装置的驱动器电气架构示意图；
26.图6是本发明的mosfet驱动和输入级模型示意图；
27.图7是本发明碳化硅器件的驱动装置的输出端示意图；
28.图8是本发明的窄脉冲发生电路示意图；
29.图9是本发明的脉冲宽度计算示意图；
30.图10是本发明的电光转换电路的结构示意图。
具体实施方式
31.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
32.如图5-10所示，本发明的碳化硅器件的驱动装置，包括控制器、数字信号输出模
块、电光转换模块、光电转换模块和输出级模块。
33.控制器包括单片机，控制器内置实现波形脉宽或周期变换、控制时延、控制死区的控制软件；数字信号输出模块增加驱动能力，驱动后级的电光转换模块；电光转换模块包括红外发光led集成光纤耦合连接器，红外发光led集成光纤耦合连接器由数字缓冲器输出的电信号驱动led发光，实现电光转换，并输出光纤进行信号远距离传输；光电转换模块包括光电三极管集成光纤耦合连接器，光电三极管集成光纤耦合连接器接收光信号转化为电信号并输出给输出级；输出级模块具有在短时间内使mosfet的输入电容充满电，且及时打开，具有大电流输出能力，实现输出级增加信号的驱动能力。
34.本发明的工作原理：控制器接收到激励信号源的信号之后进行必要的处理，包括脉宽调整、添加时延、死区控制等，然后信号以数字形式驱动电光端转化为光信号，光信号经过光纤传输到远端，远端经过光电转换后成为数字电信号，在经过数模转换器后生成模拟信号，经过输出端驱动被测器件mosfet。
35.为了实现电气隔离，通用型的驱动器在控制器和输出级之间增加隔离器件，多采用磁隔离或者光电隔离。使用这类驱动模块驱动封装不匹配的mosfet时会引入如图2所示的
①
、
②
、
③
三条电气通路，从而引入分布电感和分布电容。为了尽量减少这些分布参数的引入，需要尽量减少电缆的长度或者完全重新设计驱动模块。
36.本发明的优选实施例中，核心在于将如图2所示的驱动模块的通路
②
中电气隔离的部分从集成于模块内移植到模块外部，将激励信号数字化，利用数字信号实现较远距离的传输，在被测器件的近端进行数模转换，将数字信号转换为模拟信号驱动被测器件。框图如图5所示，只画出单路，分为近端和远端两部分，近端接近激励信号源，进行数据的处理，远端接近被测器件实现信号的输出，近端远端之间依靠光信号实现数据传输。这样设计实际的信号输出端即远端接近被测器件，最大程度的降低了传输造成的信号失真。
37.线分布电感的计算如下：
38.当图2中的驱动信号通路
②
采用传统线缆连接方式时，由于碳化硅mosfet的g级存在输入结电容ciss，驱动信号需要首先为该电容充满电，然后器件才会打开。为了尽量缩短的器件开关时间，需要驱动信号提供尽量大的驱动电流。假定驱动线路可以提供瞬时5a的驱动电流。为满足5a的驱动电流，驱动线路依照2倍裕量设计，依照10a计算，则的铜质线缆直径为0.255mm，截面积是0.05mm2。假设实际操作中为了快速搭建测试模型，采用了100mm长的飞线连接驱动模块与mosfet的驱动级，则该100mm线缆的分布电感大小约为ls1＝30nh，电桥实测。
39.当图2中的驱动信号通路
②
采用本发明的连接方式时，mosfet驱动和输入级模型如图6所示，大部分信号传输采用光纤传输，实际的电气连接线路长度会控制在5mm以内，则分布电感大小约为ls2＝1.5nh。
40.将传统线缆连接方式与本发明的连接方式对比，以信号延迟为例计算两种方案产生的失真，假定ciss＝2000pf，大功率mosfet的典型值。
41.采用传统线缆连接方式，分布电感为ls1＝30nh，产生的延时为：
42.t1＝(ls1
·
ciss)
1/2
＝7.7ns
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式1
43.采用本发明连接方式，则产生的延时为：
44.t2＝(ls2
·
ciss)
1/2
＝1.7ns
ꢀꢀꢀꢀ
式2
45.对比t2与t1可知，采用本发明的连接方式，传输延时降低为传统线缆连接方式的约1/5。
46.如图6所示，lc构成谐振电路是在大多数栅极驱动电路中观察到振荡峰值的根本原因。遗憾的是，c
iss
和ls之间非常高的q共振会通过(或可通过)环路的串联电阻分量衰减，这些分量包括驱动器输出阻抗、外部栅极电阻器和内部栅极网状电阻器。其中可以被外部设计所调节的电阻分量为图6中的rg，减小该电阻值可提高开通速度，但是会导致栅极驱动电压波形过冲。电阻值升高会导致振荡欠阻尼并延长开关时间。该电阻值得最佳值为式3所示：
47.r
gopt
＝2(ls/ciss)
1/2-(r
drv
+r
g,i
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3
48.其中，r
drv
与r
g,i
为寄生电阻，与器件有关得和固定值。输出端的电路示意图如图7所示，rg的大小依照式3选择。
49.本发明的优选实施例中，如图5所示，输出端为模拟信号端，需要与被测器件直接电气连接，为了降低外部接入的器件对被测器件的影响，本部分需要与器件的输入端匹配，并且有低的延迟和高驱动能力。在图5所示的系统中，由于控制器选用的是单片机，其成本低，易于软件编程，但是处理速度不高，难以输出ns至us级宽度，并且边沿时间短的脉冲。一次需要在单片机的脉冲输出io之后增加一个窄脉冲发生器，其电路原例如图8所示。电路的核心是电阻r和电容c构成的延时电路以及一个与门。rc延时电路会产生一个延时t，
50.δt＝-ln(1-0.2vt) 式4
51.其中，vt为与门的阈值电压，不同的器件阈值电压标准有区别。vs为输入宽脉冲信号，可以是秒级或者毫秒级，不做要求。以vs的脉冲宽度为t0，则经过rc电路后在b点的信号会产生延时δt。
52.原始信号与延时后的信号经过与门进行逻辑与计算后得到宽度为t2的窄脉冲，t2的宽度计算见式5，调节rc的参数可以调节t2的宽度。逻辑运算的如图9所示。
53.t2＝t0-δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式5
54.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。