[发明专利]宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路、方法及装置

说明书

本发明公开了一种宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路、方法及装置，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。

技术领域

本发明属于大功率电力电子器件可靠运行领域，具体涉及一种宽禁带功率器件驱动串扰电压抑制电路、方法及装置。

背景技术

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。

发明内容

针对现有串扰电压抑制技术的缺陷，本发明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，本发明采用的具体技术方案如下：