[发明专利]最小化宽带隙半导体器件中的振铃

说明书

实施例包括包含第一和第二半导体开关的功率转换电路以及驱动电路，驱动电路配置为在第二开关的导通和关断操作期间通过将第一开关的栅极电压设置为高于第一开关的阈值电压的中间值来为第一开关和第二开关产生操作重叠的时段。实施例还包括一种操作第一和第二半导体器件的方法，方法包括：在第二器件关断时将第一器件的栅极电压降低到高于阈值电压的中间值；在第二器件导通后关断第一器件；在第二器件导通时将第一器件的栅极电压增加到中间值；并在第二器件关断后完全导通第一器件。

技术领域

本申请大体涉及功率电子器件，并且更具体地，涉及最小化功率半导体器件中的振铃。

背景技术

宽带隙(WBG)半导体(例如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN))的材料性质允许在比常规半导体(包括那些由硅(Si)或砷化镓(GaAs)制成的半导体)高得多的电压、频率、和温度下操作。这些特性可以导致更小和更节能的电路。最近，WBG半导体器件越来越多地用于高功率应用，如用于功率模块的高速切换以及用于混合动力车辆和全电动车辆的充电模块。

WBG器件的大多数应用(包括硬切换功率转换器或逆变器应用)面临的一个挑战是在切换期间出现高频(例如大于30兆赫兹(MHz))振铃(ringing)或振荡。这种高频振铃对周围电路(例如控制线和测量线)以及其它子系统部件引起电磁干扰(EMI)噪声，从而影响整个系统的性能。振铃主要是由WBG器件在切换期间引起的高电压(dv/dt)和高电流(di/dt)瞬变造成的，这种瞬变会激发电路中的寄生电感(L)和电容(C)，从而导致器件在切换期间振荡。

用于最小化WBG器件中的寄生电感的现有解决方案包括例如通过减小由封装引起的杂散电感来改进器件的封装。但是，特别是对于额定值超过300安培(A)并且设计为用于混合动力车辆和电动车辆的功率模块而言，这种解决方案可能很昂贵且难以实现。另外，减少封装杂散电感并不能消除在切换过程中发生的振铃。另一种现有的解决方案试图通过添加外部无源部件(例如R/C(缓冲电路))来吸收振铃能量以最小化振铃。然而，这种解决方案需要使用额外的部件，增加了封装成本和尺寸，并降低了高温操作期间的可靠性。此外，引入额外的电阻和其它外部无源部件降低了器件的dv/dt、di/dt速度，这反而大大增加器件的切换损耗。这些和其它类似的现有解决方案的另一个缺点是它们需要对无法控制或调整的WBG器件进行外部修改以操纵振铃量。

因此，本领域仍然需要在高速切换期间最小化宽带隙半导体器件中的振铃或振荡的技术。

发明内容

本发明旨在通过提供栅极调制技术来解决上述和其它问题，所述栅极调制技术配置为当在第一半导体器件和第二半导体器件之间切换时产生操作的重叠时段，重叠时段通过减少电路中的总杂散电容和增加电路中的总回路电阻来最小化通常在切换期间产生的振铃。此外，本文描述的技术利用半导体器件的固有特性来控制振铃，并且因此不需要额外的硬件，并且可以根据给定的实际应用的需要而调整(例如启用或禁用)。

例如，一个实施例包括功率转换电路，功率转换电路包括第一半导体开关和第二半导体开关以及驱动电路，驱动电路配置为在第二开关的导通和关断操作期间通过将第一开关的栅极电压设置为高于第一开关的阈值电压的中间值来为第一开关和第二开关产生操作的重叠时段。

另一示例实施例包括一种操作第一半导体器件和第二半导体器件的方法，方法包括：在第二器件关断时将第一器件的栅极电压降低到高于阈值电压的中间值；在第二器件导通后关断第一器件；在第二器件导通时将第一器件的栅极电压增加到中间值；并在第二器件关断后完全导通第一器件。

根据本发明，提供一种功率转换电路，包括：

第一半导体开关和第二半导体开关；和

驱动电路，驱动电路配置为在第二开关的导通和关断操作期间通过将第一开关的栅极电压设置为高于第一开关的阈值电压的中间值来为第一开关和第二开关产生操作重叠的时段。