一种新型驱动拓扑及其驱动方法与串扰抑制方法

1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种适用于半桥电路的sic mosfet的新型驱动拓扑及其驱动方法与串扰抑制方法。


背景技术：

2.如今，针对大功率应用场合，广泛应用的开关器件包括由硅igbt和快恢复二极管组成的igbt模块和sic mosfet功率模块，碳化硅半导体材料制作而成的sic mosfet可以取得如下优势：在高击穿场强下，实现更高水平掺杂，因而其导通电阻更小，在同功率水平下可以降低导通损耗，提高系统效率。还可以减小开关损耗，提高变换器效率；sic mosfet载流子漂移速度快，4h
‑
sic的漂移速度是si的漂移速度的两倍。进而，其可实现更高的开关频率，工作频率高频化，实现外围器件的小型化；sic mosfet的导热能力更强，这也将进一步减少散热系统的体积。简化散热设施。目前量产的sic mosfet功率模块，在工业领域的电源与光伏发电的场合获得广泛的应用，其内部大多是半桥电路的二合一结构，模块结构可以优化内部寄生电感。
3.但是应用sic mosfet可能造成开关特性恶化，高频开关导致高电流变化率di/dt，在关断阶段，此电流变化率会导致集总杂散电感l
lump
产生感应电压，并叠加在母线电压上使管子在瞬态承受较大的漏源电压，即关断电压过冲。可以采用有源驱动策略，实现多级关断，减小关断过程的di/dt。采取开环型有源驱动控制方法，如可变驱动电压型多电平有源驱动，无需设置采样电路和反馈电路，不会受到的硬件固有延迟的影响，但是开环型有源驱动对于器件参数变化，如温度变化，对开关特性所造成的的影响的适应性差。闭环型有源驱动增加了对功率开关器件状态量的检测，但是由于sic mosfet的开通与关断时间很短，与igbt的闭环控制相比，暂时缺乏一种高速控制响应的主动控制方法。
4.高频开关导致高电压变化率dv/dt，这些电压变化率作用在sic mosfet的寄生电容上，导致桥臂串扰问题的发生，具体表现为，以上管为例，在上桥臂sic mosfet导通或关断瞬态，存储在对管的sic mosfet转移电容c
gd
中的电荷通过栅源极进行转移，进而在下管sic mosfet的栅极感应出正向或者负向串扰电压。
5.具体串扰电压尖峰的绝对值可由下式估算，其中i
cgd
代表位移电流，c
gd
为栅漏极间电容，c
gs
为栅源极间电容，v
ds
为主动管漏源电压：
[0006][0007][0008]
当正向串扰电压超过sic mosfet开启阈值电压时,会有桥臂直通的风险。当负向串扰电压超过sic mosfet的数据表规定负向最大栅源电压值时，器件有损坏的风险，且较高的负压会缩短器件使用的寿命。当施加长时间的栅极直流负偏压时，阈值电压会下降，这
将进一步增加寄生开通的发生可能性。
[0009]
现有sic mosfet桥式结构串扰抑制的方式主要有以下三种：
[0010]
(1)在栅源极之间追加并联c
gs
电容，增加栅源级容抗。
[0011]
(2)使用一个合适的负压作为关断电压，在主动管开通时，被动管栅源极电位抬升，确保所选负压叠加抬升电压后仍小于sic mosfet的阈值电压v
gs
即可。但是在主动管关断时刻，所选负压又会叠加负向抬升电压，从而导致sic mosfet承受更大的负向栅源电压，需要加以抑制。
[0012]
(3)使用米勒钳位功能，确保将sic mosfet栅源极电压钳位在0v。
[0013]
上述几种方法都是通过在栅源级追加电子器件实现对串扰的抑制，且器件一经焊接制造，不便更换，换言之，这样的设计虽然可以针对特殊情况做出串扰抑制，但是无法实现多种工况下的串扰抑制。
[0014]
针对上述sic mosfet应用在半桥电路中的问题，提出一种适用于半桥碳化硅金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管(sic mosfet)模块的新型驱动拓扑以及驱动方法与串扰抑制方法。


技术实现要素：

[0015]
本发明的目的是提供一种适用于半桥碳化硅金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管(sic mosfet)模块的新型驱动拓扑以及驱动方法与串扰抑制方法，通过设置期望的输出栅源信号波形以达到有效抑制关断瞬态电压过冲与振荡的作用，在主动管动作期间，还可以通过设置被动管输出栅源信号波形以达到有效抑制串扰的作用。
[0016]
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0017]
一种新型驱动拓扑，适用于半桥电路的碳化硅金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管，包括原边逻辑处理单元、上桥臂隔离单元、下桥臂隔离单元、上桥臂副边逻辑处理单元、下桥臂副边逻辑处理单元、上桥臂多电平驱动电路、下桥臂多电平驱动电路、上桥臂驱动电阻网络、下桥臂驱动电阻网络、上桥臂关断漏极电流检测反馈电路和下桥臂关断漏极电流检测反馈电路；
[0018]
原边逻辑处理单元包括第一输出端和第二输出端；
[0019]
第一输出端连接至上桥臂隔离单元的输入端，上桥臂隔离单元的输出端连接至上桥臂副边逻辑处理单元的输入端，上桥臂副边逻辑处理单元的输出端连接至上桥臂多电平驱动电路的输入端，上桥臂多电平驱动电路的输出端通过上桥臂驱动电阻网络连接至第一sic mosfet的栅极，第一sic mosfet的功率源极连接至上桥臂关断漏极电流检测反馈电路的输入端，上桥臂关断漏极电流检测反馈电路的输出端连接至所述上桥臂副边逻辑处理单元；
[0020]
第二输出端连接至下桥臂隔离单元的输入端，下桥臂隔离单元的输出端连接至下桥臂副边逻辑处理单元的输入端，下桥臂副边逻辑处理单元的输出端连接至下桥臂多电平驱动电路的输入端，下桥臂多电平驱动电路的输出端通过下桥臂驱动电阻网络连接至第二sic mosfet的栅极，第二sic mosfet的功率源极连接至下桥臂关断漏极电流检测反馈电路的输入端，下桥臂关断漏极电流检测反馈电路的输出端连接至所述下桥臂副边逻辑处理单元；
[0021]
信息流1从原边逻辑处理单元的输入端输入，经原边逻辑处理单元分流输出信号相同的信息流2_h、信息流2_l；
[0022]
上桥臂隔离单元接收所述信息流2_h并输出信息流3_h，上桥臂副边逻辑处理单元接收信息流3_h并输出电压选择使能信息流4_h，上桥臂多电平驱动电路接收信息流4_h并输出带有足够驱动功率的多电平驱动信号v
gg_h
，信号v
gg_h
经上桥臂驱动电阻网络输入第一sic mosfet的栅极，上桥臂关断漏极电流检测反馈电路采集第一sic mosfet关断时漏极电流变化作用在电感或线圈产生的感应电压v
sense_h
，并比例计算感应电压v
sense_h
，再将比例计算后感应电压k*v
sense_h
分别与开始阈值电压v
ref1
、终止阈值电压v
ref2
比较后，通过上升沿与下降沿的形式向上桥臂副边逻辑处理单元输入反馈信号fb_h，上桥臂副边逻辑处理单元根据反馈信号fb_h与信息流3_h产生输出信息流4_h；
[0023]
下桥臂隔离单元接收所述信息流2_l并输出信息流3_l，下桥臂副边逻辑处理单元接收信息流3_l并输出电压选择使能信息流4_l，下桥臂多电平驱动电路接收信息流4_l并输出带有足够驱动功率的多电平驱动信号v
gg_l
，信号v
gg_l
经下桥臂驱动电阻网络输入第二sic mosfet的栅极，下桥臂关断漏极电流检测反馈电路采集第二sic mosfet关断时漏极电流变化作用在电感或线圈产生的感应电压v
sense_l
，并比例计算感应电压v
sense_l
，再将比例计算后感应电压k*v
sense_l
分别与开始阈值电压v
ref1
、终止阈值电压v
ref2
比较后，通过上升沿与下降沿的形式向下桥臂副边逻辑处理单元输入反馈信号fb_l，下桥臂副边逻辑处理单元根据反馈信号fb_l与信息流3_l产生输出信息流4_l。
[0024]
优选地，所述原边逻辑处理单元对信息流2_h和信息流2_l进行互锁保护。
[0025]
优选地，所述信息流3_h、信息流4_h是以第一sic mosfet的源极为参考地的信息流；所述信息流4_l是以第二sic mosfet的源极为参考地的信息流。
[0026]
优选地，所述反馈信号的输出判定条件为：
[0027]
1)当且仅当比例计算后的感应电压大于开始阈值电压时，反馈信号由低电平跳变至高电平，产生上升沿；
[0028]
2)当且仅当比例计算后的感应电压小于终止阈值电压时，反馈信号由高电平变为低电平，产生下降沿。
[0029]
本发明提供一种新型驱动拓扑的驱动方法，包括以下步骤：
[0030]
步骤一，有源栅极驱动器初始化；
[0031]
步骤二，将初始脉冲信号接入驱动电阻网络运行，当信息流3发生关断脉冲信号跳变，副边侧逻辑控制单元计数器1开始计数；
[0032]
步骤三，当漏极电流开始急速下降，若感应电压k*v
sense
大于v
ref1
，反馈信号由低电平输出高电平，在副边逻辑控制单元检测到窗口比较器输出上升沿后，副边逻辑控制单元计数器2开始计数；
[0033]
步骤四，当漏极电流急速下降至0，若感应电压k*v
sense
小于v
ref2
，反馈信号由高电平跳变为低电平，在副边逻辑控制单元检测到窗口比较器输出下降沿后，副边逻辑单元计数器1与计数器2停止计数，记录计数器1的计数值m，计数器2的计数值n，检测反馈回路固有延迟对应的计数值p；
[0034]
步骤六，刷新脉冲配置：副边逻辑单元工作步长为d，最佳中间电平开始作用时间t
b1
为关断脉冲后的d*(m
‑
n
‑
p)，最佳电平作用结束时间t
s1
为最佳中间电平开始作用时间后
的d*(n
‑
p)，设置关断损耗上限和关断电压尖峰下限，并据此选择关断最佳中间电平v
bmv
。
[0035]
本发明提供一种新型驱动拓扑的串扰抑制方法，包括第一sic mosfet开启阶段和第一sic mosfet关断阶段；
[0036]
第一sic mosfet开启阶段：
[0037]
下桥臂副边逻辑控制单元接收到信息流3的第一sic mosfet开启信息，随即减小下桥臂多电平驱动电路的输出端电平v
gg_l
，减小的电平值范围在0到第二sic mosfet栅源最高可承受负压值，漏源电压下降到通态压降后的某一时刻，v
gg_l
电平复位至驱动负电压v
ee
；
[0038]
第一sic mosfet关断阶段：
[0039]
下桥臂副边逻辑控制单元接收到信息流3的第一sic mosfet关断信息，随即增加下桥臂多电平驱动电路的输出端电平v
gg_l
，增加的电平值范围在0到阈值电压v
th
与驱动负电压v
ee
绝对值之和，漏源电压上升至母线电压后的某一时刻，v
gg_l
电平复位至驱动负电压v
ee
。
[0040]
本发明的有益效果是：
[0041]
1、本发明根据检测电路反馈信息确定下一次多电平脉冲信号，可以检测反馈自适应以优化关断特性，故可以通过副边逻辑控制单元做减法运算有效消除检测电路固有检测电路硬件延迟的影响，从而抑制半桥电路开关管的关断瞬态振荡与电压过冲。
[0042]
2、本发明可以在不影响开关速度的前提下，在主动管动作时，通过调整被动管的栅源极电平来抑制串扰的影响，从而防止寄生开通与栅源极负压过冲，从而提高器件的使用可靠性和寿命。
附图说明
[0043]
图1为本发明实施例所述的一种半桥sic mosfet新型驱动拓扑结构；
[0044]
图2为本发明实施例所述的一种新型驱动拓扑的驱动方法流程图；
[0045]
图3为本发明实施例所述的一种半桥sic mosfet新型驱动拓扑驱动方法中sic mosfet解析模型的示意图；
[0046]
图4为本发明实施例所述的一种半桥sic mosfet新型驱动拓扑驱动方法脉冲产生示示意图；
[0047]
图5为本发明实施例所述的半桥sic mosfet抑制串扰驱动脉冲示意图。
具体实施方式
[0048]
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0049]
如图1所示，本发明实施例提供一种半桥sic mosfet新型驱动拓扑，适用于半桥电路的碳化硅金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管，包括原边逻辑处理单元lu_p、上桥臂隔离单元h、下桥臂隔离单元l、上桥臂副边逻辑处理单元lu_h、下桥臂副边逻辑处理单元lu_l、上桥臂多电平驱动电路a_h、下桥臂多电平驱动电路a_l、上桥臂驱动电阻网络b_h、下桥臂驱动电阻网络b_l、上桥臂关断漏极电流检测反馈电路c_h和下桥臂关断漏极电流检测反馈电路c_l；
[0050]
原边逻辑处理单元包括第一输出端和第二输出端；
[0051]
第一输出端连接至上桥臂隔离单元的输入端，上桥臂隔离单元的输出端连接至上桥臂副边逻辑处理单元的输入端，上桥臂副边逻辑处理单元的输出端连接至上桥臂多电平驱动电路的输入端，上桥臂多电平驱动电路的输出端通过上桥臂驱动电阻网络连接至第一sic mosfet的栅极，第一sic mosfet的功率源极连接至上桥臂关断漏极电流检测反馈电路的输入端，上桥臂关断漏极电流检测反馈电路的输出端连接至所述上桥臂副边逻辑处理单元；
[0052]
第二输出端连接至下桥臂隔离单元的输入端，下桥臂隔离单元的输出端连接至下桥臂副边逻辑处理单元的输入端，下桥臂副边逻辑处理单元的输出端连接至下桥臂多电平驱动电路的输入端，下桥臂多电平驱动电路的输出端通过下桥臂驱动电阻网络连接至第二sic mosfet的栅极，第二sic mosfet的功率源极连接至下桥臂关断漏极电流检测反馈电路的输入端，下桥臂关断漏极电流检测反馈电路的输出端连接至所述下桥臂副边逻辑处理单元；
[0053]
信息流1从原边逻辑处理单元的输入端输入，经原边逻辑处理单元分流输出信号相同的信息流2_h、信息流2_l；
[0054]
上桥臂隔离单元接收所述信息流2_h并输出信息流3_h，上桥臂副边逻辑处理单元接收信息流3_h并输出电压选择使能信息流4_h，上桥臂多电平驱动电路接收信息流4_h并输出带有足够驱动功率的多电平驱动信号v
gg_h
，信号v
gg_h
经上桥臂驱动电阻网络输入第一sic mosfet的栅极，上桥臂关断漏极电流检测反馈电路采集第一sic mosfet关断时漏极电流变化作用在电感或线圈产生的感应电压v
sense_h
，并比例计算感应电压v
sense_h
，再将比例计算后感应电压k*v
sense_h
分别与开始阈值电压v
ref1
、终止阈值电压v
ref2
比较后，通过上升沿与下降沿的形式向上桥臂副边逻辑处理单元输入反馈信号fb_h，上桥臂副边逻辑处理单元根据反馈信号fb_h与信息流3_h产生输出信息流4_h；
[0055]
下桥臂隔离单元接收所述信息流2_l并输出信息流3_l，下桥臂副边逻辑处理单元接收信息流3_l并输出电压选择使能信息流4_l，下桥臂多电平驱动电路接收信息流4_l并输出带有足够驱动功率的多电平驱动信号v
gg_l
，信号v
gg_l
经下桥臂驱动电阻网络输入第二sic mosfet的栅极，下桥臂关断漏极电流检测反馈电路采集第二sic mosfet关断时漏极电流变化作用在电感或线圈产生的感应电压v
sense_l
，并比例计算感应电压v
sense_l
，再将比例计算后感应电压k*v
sense_l
分别与开始阈值电压v
ref1
、终止阈值电压v
ref2
比较后，通过上升沿与下降沿的形式向下桥臂副边逻辑处理单元输入反馈信号fb_l，下桥臂副边逻辑处理单元根据反馈信号fb_l与信息流3_l产生输出信息流4_l。
[0056]
优选地，所述原边逻辑处理单元对信息流2_h和信息流2_l进行互锁保护。
[0057]
优选地，所述信息流3_h、信息流4_h是以第一sic mosfet的源极为参考地的信息流；所述信息流4_l是以第二sic mosfet的源极为参考地的信息流。
[0058]
优选地，所述反馈信号的输出判定条件为：
[0059]
1)当且仅当比例计算后的感应电压大于开始阈值电压时，反馈信号由低电平跳变至高电平，产生上升沿；
[0060]
2)当且仅当比例计算后的感应电压小于终止阈值电压时，反馈信号由高电平变为低电平，产生下降沿。
[0061]
如图2所示，本发明实施例提供一种新型驱动拓扑的驱动方法，包括以下步骤：
[0062]
步骤一，有源栅极驱动器初始化，具体包括：
[0063]
步骤1，根据所使用的sic mosfet的开关特性相关的参数信息建立sic mosfet关断特性解析模型，如图3所示。
[0064]
sic mosfet的开关特性包括sic mosfet电气特性与温度特性，sic mosfet电气特性与温度特性包括阈值电压v
th
、转移电容c
rss
、输出电容c
oss
、输入电容c
iss
、通态电阻r
dson
、内部栅极电阻r
g(int)
、v
gs
为2倍阈值电压时的漏极电流i
ds
、米勒平台期跨导g
fs
、结温t
j
。
[0065]
参数信息包括驱动回路参数、功率回路寄生参数和工况电压电流等级。
[0066]
驱动回路参数包括驱动正电压v
cc
、驱动负电压v
ee
、关断中间电平v
bmv
、外部驱动电阻r
g(ext)
。
[0067]
功率回路寄生参数包括漏极杂散电感l
d
、源极杂散电感l
s
、回路寄生电感l
loop
、回路寄生电阻r
loop
。
[0068]
工况的电压电流等级包括母线电压v
dc
、负载电流i
l
。
[0069]
步骤2，利用关断特性解析模型求解关断时的最佳中间电平v
bmv
，以及v
bmv
的开始作用时间t
b1
和v
bmv
的作用结束时间t
s1
，过程为：
[0070]
在关断延时阶段，起始时间t0，结束时间t1；该阶段，由负载电流决定米勒平台电压v
m1
值，栅极电压由v
cc
开始变化到下降到v
m1
，t1计算式为
[0071][0072]
v
ds
(t)＝r
dson
·
i
l
[0073]
i
d
(t)＝i
l
[0074][0075]
在米勒平台阶段，起始时间t1，结束时间t2；该阶段，由于栅源极电压保持在v
m1
，驱动电源开始以恒定电流为c
rss
充电，在t2时刻v
ds
达到母线电压，漏源电压变化会对桥臂对管输出电容c
oss
进行充电，实际漏极电流减小，t2计算式为
[0076][0077]
c
rss
(t)＝intep1[v
ds
(t)]
[0078][0079][0080]
t2＝solve[(v
ds
(t)＝v
dc
)]
[0081]
上式中，int是插值运算符。
[0082]
在漏极电流下降阶段，起始时间t2，结束时间t3；该阶段，在t3时刻，v
gs
降为v
th
，t3计算式为
[0083]
[0084][0085][0086][0087][0088]
配置初始脉冲信号：
[0089]
设置t0至t2采用v
ee
负压关断；t2至t3采用最佳中间电平v
bmv
电压关断；t3之后采用v
ee
负压关断；
[0090]
设置检测反馈单元的检测开始阈值电压v
ref1
与检测终止阈值电压v
ref2
，所述阈值电压的设置需根据sic mosfet功率源极与信号源极之间寄生电感或线圈电感与期望sic mosfet器件关断的di
d
/dt决定；
[0091]
设置副边逻辑控制单元检测电路硬件延迟补偿，补偿计数量p与检测电路硬件延迟时间t
delay
及副边逻辑控制单元工作频率有关。
[0092]
步骤二，将初始脉冲信号接入驱动电阻网络运行，当信息流3发生关断脉冲信号跳变，副边侧逻辑控制单元计数器1开始计数。
[0093]
步骤三，当漏极电流开始急速下降，若感应电压k*v
sense
大于v
ref1
，反馈信号由低电平输出高电平，在副边逻辑控制单元检测到窗口比较器输出上升沿后，副边逻辑控制单元计数器2开始计数。
[0094]
步骤四，当漏极电流急速下降至0，若感应电压k*v
sense
小于v
ref2
，反馈信号由高电平跳变为低电平，在副边逻辑控制单元检测到窗口比较器输出下降沿后，副边逻辑单元计数器1与计数器2停止计数，记录计数器1的计数值m，计数器2的计数值n，检测反馈回路固有延迟对应的计数值p。
[0095]
步骤六，刷新脉冲配置：
[0096]
设置副边逻辑单元工作步长为d，最佳中间电平开始作用时间t
b1
为关断脉冲后的d*(m
‑
n
‑
p)，最佳电平作用结束时间t
s1
为最佳中间电平开始作用时间后的d*(n
‑
p)，设置关断损耗上限和关断电压尖峰下限，并据此选择关断最佳中间电平v
bmv
。
[0097]
上述sic mosfet实现对于脉冲v
gg
的调理，调理效果示意图如图4所示，以上桥臂sic mosfet为例，根据某一次sic mosfet的关断电流波形，执行如图2所示的流程图得到下一次脉冲配置，如图4中的v
gg_h*
所示。
[0098]
本发明根据检测电路反馈信息确定下一次多电平脉冲信号，可以检测反馈自适应以优化关断特性，故可以通过副边逻辑控制单元做减法运算有效消除检测电路固有检测电
路硬件延迟的影响，从而抑制半桥电路开关管的关断瞬态振荡与电压过冲。
[0099]
本发明提供一种新型驱动拓扑的串扰抑制方法，其串扰抑制原理如图5所示，包括第一sic mosfet开启阶段和第一sic mosfet关断阶段；
[0100]
第一sic mosfet开启阶段：
[0101]
下桥臂副边逻辑控制单元接收到信息流3的第一sic mosfet开启信息，随即减小下桥臂多电平驱动电路的输出端电平v
gg_l
，减小的电平值范围在0到第二sic mosfet栅源最高可承受负压值，漏源电压下降到通态压降后的某一时刻，v
gg_l
电平复位至驱动负电压v
ee
。在图5中，采用的减小电平值为0。
[0102]
第一sic mosfet关断阶段：
[0103]
下桥臂副边逻辑控制单元接收到信息流3的第一sic mosfet关断信息，随即增加下桥臂多电平驱动电路的输出端电平v
gg_l
，增加的电平值范围在0到阈值电压v
th
与驱动负电压v
ee
绝对值之和，漏源电压上升至母线电压后的某一时刻，v
gg_l
电平复位至驱动负电压v
ee
。在图5中，增加的电平值为|v
ee
|。
[0104]
本发明可以在不影响开关速度的前提下，在主动管动作时，通过调整被动管的栅源极电平来抑制串扰的影响，从而防止寄生开通与栅源极负压过冲，从而提高器件的使用可靠性和寿命。
[0105]
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。