[发明专利]双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管及其驱动电路

说明书

本发明提供了一种双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管及其驱动电路,包括主功率单元以及辅助稳定单元，所述主功率单元为第一MOSFETQ₁，所述辅助稳定单元为第二MOSFETQ₂；在较高的漏源电压电流变化率条件下，保持MOSFET栅源电压稳定性，让MOSFET获得鲁棒免疫高开关速度干扰的特性。采用该功率半导体器件的电力电子变换器系统能够可靠工作于更高频率、更高电压的环境。

技术领域

本发明涉及一种双栅型功率金属氧化物半导体场效应晶体管及其驱动电路。

背景技术

功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在使用中，漏源电压和电流的剧烈变化通过米勒电容反射，影响栅源电压稳定性。随着材料技术的进步，采用SiC、GaN等宽禁带半导体材料生成的功率MOSFET具有耐压高、开关速度快的优势，然而，这一优势却迫使漏源电压和电流的变化率变得更高，严重挑战着栅源电压的稳定性。

目前，对于传统的功率MOSFET，出现了多种技术方法解决栅源电源的稳定性问题，大致可以分为无源类方法和有源类方法。

无源类方法，在驱动电路中增加额外无源器件，并进一步降低驱动电路负向偏压，来抑制高漏源电压和电流变化率对栅源电压的影响。非专利文献1公开了额外增加电容元件的方法，抑制栅漏电容的位移电流和共源电感上的电压降造成的栅源电压不稳定现象(参见非专利文献1:IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in PowerElectronics，7卷，第1期，353-365页)。该类方法在一定程度上可以降低栅极关断阻抗、提高栅源电压震荡阻尼。

有源类方法，在驱动电路种增加有源的辅助半导体器件，并通过控制辅助半导体器件，触发谐振现象，达到稳定栅源电压的目的(参见专利文献1:一种SiC MOSFET的栅极串扰抑制电路及驱动电路，申请号201810059420.5；参见专利文献2:驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法，申请号201610459751.9；参见专利文献3:一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法，申请号201811451477.6；参见专利文献4:一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动装置，申请号201710703079.8)。一般基于谐振机理，调整驱动电路输出阻抗或输出电压，对结电容位移电流进行旁路或抵消。由于PCB线路杂散电感的影响，上述驱动方法难以保证高速开关动作时栅源电压稳定；即便在低速开关动作时，为了实现稳定栅源电压，驱动电路也需要额外增加辅助半导体器件，这就意味着，需要额外增加复杂的逻辑电路，并且为新增辅助管单独供电。

需要注意的是，无源类方法，引入的栅源极并联电容增加了开关损耗；增大的负向偏压将会增大SiC MOSFET的栅氧层应力，缩短器件寿命。有源类方法，新增逻辑电路、谐振电容等元件，驱动电路也需要额外增加辅助半导体器件，这就意味着，需要额外增加复杂的逻辑电路，并且为新增辅助管单独供电；有源类方法一般基于谐振机理，由于谐振点随电路杂散参数变化，谐振元件的参数需要针对不同外电路布局在额定工作电压、工作电流条件下进行专门设计，抑制效果不仅严重依赖杂散参数提取精度，而且难以全面兼顾功率MOSFET的工作电压和工作电流的变化，更难以应对突发故障引起的栅极不稳定，器件的鲁棒性和适应性较差。

综上，功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在使用中，为了充分发挥MOSFET的开关速度优势，需要在驱动电路引入复杂的串扰抑制电路，稳定栅源电压。然而，这增大了功率半导体器件使用中的复杂性和成本，同时降低了功率半导体器件的可靠性。实际应用中，急需驱动简单可靠、栅源稳定性强的新型功率半导体器件组合应用方法，让功率MOSFET获得鲁棒免疫高开关速度干扰的能力。

发明内容