[发明专利]一种新型驱动拓扑及其驱动方法与串扰抑制方法

说明书

本发明公开了一种新型驱动拓扑及其驱动方法与串扰抑制方法，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、两个隔离单元、两个副边逻辑处理单元、两个多电平驱动电路、两个驱动电阻网络、两个关断漏极电流检测反馈电路。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，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。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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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：

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。

现有SiC MOSFET桥式结构串扰抑制的方式主要有以下三种：

(1)在栅源极之间追加并联C_GS电容，增加栅源级容抗。