最小化宽带隙半导体器件中的振铃制造技术

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。

Minimizing ringing in wide band gap semiconductor devices

The embodiments include a power conversion circuit comprising first and second semiconductor switches and a drive circuit configured to generate operation weight for the first and second switches by setting the gate voltage of the first switch to an intermediate value higher than the threshold voltage of the first switch during the turn-on and turn-off operation of the second switch. Overlapping periods. The embodiments also include a method for operating the first and second semiconductor devices by reducing the gate voltage of the first device to an intermediate value higher than the threshold voltage when the second device is turned off, turning off the first device after the second device is turned on, and increasing the gate voltage of the first device to the middle when the second device is turned on. The first device is fully connected after the second device is switched off.

【技术实现步骤摘要】
最小化宽带隙半导体器件中的振铃
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。根据本专利技术，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。根据本专利技术的一个实施例，针对第二开关的导通操作的时段在将第一开关的栅极电压降低到中间值之后开始，并且在关断第一开关时结束。根据本专利技术的一个实施例，针对第二开关的关断操作的时段在将第一开关的栅极电压增加到中间值时开始，并且在完全导通第一开关之前结束。根据本专利技术的一个实施例，驱动电路包括：连接到第一半导体开关的第一栅极驱动器，连接到第二半导体开关的第二栅极驱动器，和控制器，控制器配置为向第一栅极驱动器提供输入以控制第一开关的栅极电压、并且向第二栅极驱动器提供输入以控制第二开关的导通和关断操作。根据本专利技术的一个实施例，第一半导体开关和第二半导体开关是包括宽带隙半导体材料的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。根据本专利技术的一个实施例，宽带隙半导体材料是碳化硅(SiC)。根据本专利技术的一个实施例，功率转换电路还包括连接到第一半导体开关的第一二极管、和连接到第二半导体开关的第二二极管，其中第一二极管和第二二极管由碳化硅(SiC)制成。根据本专利技术，提供一种操作第一半导体器件和第二半导体器件的方法，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；并且在第二器件关断后完全导通第一器件。根据本专利技术的一个实施例，方法还包括通过将第二器件的栅极电压增加到最大操作值来导通第二器件。根据本专利技术的一个实施例，方法还包括通过将第二器件的栅极电压降低到最小操作值来关断第二器件。根据本专利技术的一个实施例，关断第一器件包括将第一器件的栅极电压从中间值减小到最小操作值。根据本专利技术的一个实施例，完全导通第一器件包括将第一器件的栅极电压从中间值增加到最大操作值。根据本专利技术的一个实施例，第一半导体和第二半导体器件是包括宽带隙半导体材料的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。根据本专利技术的一个实施例，宽带隙半导体材料是碳化硅(SiC)。根据本专利技术的一个实施例，第一半导体器件和第二半导体器件分别连接到第一二极管和第二二极管，第一二极管和第二二极管由碳化硅(SiC)制成。根据本专利技术的一个实施例，提供一种功率转换电路，包括：仅将驱动电路连接到第一半导体开关的栅极的第一节点；和仅将驱动电路连接到第二半导体开关的栅极的第二节点。根据本专利技术的一个实施例，第一半导体开关的源极/漏极端子连接到第二半导体开关的源极/漏极端子。根据本专利技术的一个实施例，第一半导体开关的第一源极/漏极端子通过第一二极管连接到第一半导体开关的第二源极/漏极端子。根据本专利技术的一个实施例，第二半导体开关的第一源极/漏极端子通过第二二极管连接到第二半导体开关的第二源极/漏极端子。根据本专利技术的一个实施例，功率转换电路还包括：连接在第一半导体开关的第一源极/漏极端子和第一半导体开关的第二源极/漏极端子之间的负载电感器。如将认识的，本公开由所附权利要求限定。描述总结了实施例的各方面并且不应当用于限制权利要求。根据本文在此描述的技术可以料想到其它实施方式，这对于本领域普通技术人员在研究以下附图和具体实施方式后将是显而易见的，并且这些实施方式旨在处于本申请的范围内。附图说明为了更好地理解本专利技术，可以参考以下附图中所示的实施例。附图中的部件不一定成比例，并且可能省略了、或者在某些情况下可能会夸大相关的元件，以便强调并清楚地说明本文在此描述的新颖特征。此外如本领域已知的，系统部件可以进行各种设置。此外在附图中，相同的附图标记在几个视图中表示相应的部分。图1是示出可以接受某些实施例的应用的功率转换电路的示例配置的电路图；图2是示出在功率转换电路的常规操作期间电压波形的时间图；图3是示出根据某些实施例的在对图1所示的功率转换电路应用栅极调制技术期间示例电压波形的时间图；图4是根据某些实施例的操作第一半导体器件和第二半导体器件的示例方法的流程图；图5是比较图2所示的常规电路操作的相关振本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功率转换电路，包括：第一半导体开关和第二半导体开关；和驱动电路，所述驱动电路配置为在所述第二开关的导通和关断操作期间通过将所述第一开关的栅极电压设置为高于所述第一开关的阈值电压的中间值来为所述第一开关和所述第二开关产生操作重叠的时段。

【技术特征摘要】
2017.04.21 US 15/494,3591.一种功率转换电路，包括：第一半导体开关和第二半导体开关；和驱动电路，所述驱动电路配置为在所述第二开关的导通和关断操作期间通过将所述第一开关的栅极电压设置为高于所述第一开关的阈值电压的中间值来为所述第一开关和所述第二开关产生操作重叠的时段。2.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中针对所述导通操作的所述时段在将所述第一开关的所述栅极电压降低到所述中间值之后开始，并且在关断所述第一开关时结束。3.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中针对所述关断操作的所述时段在将所述第一开关的所述栅极电压增加到所述中间值时开始，并且在完全导通所述第一开关之前结束。4.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中所述驱动电路包括：连接到所述第一半导体开关的第一栅极驱动器，连接到所述第二半导体开关的第二栅极驱动器，和控制器，所述控制器配置为向所述第一栅极驱动器提供输入以控制所述第一开关的所述栅极电压、并且向所述第二栅极驱动器提供输入以控制所述第二开关的所述导通和所述关断操作。5.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中所述第一半导体开关和所述第二半导体开关是包括宽带隙半导体材料的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。6.根据权利要求5所述的功率转换电路，其中所述宽带隙半导体材料是碳化硅(SiC)。7.根据权利要求6所述的功率转换电路，还包...

【专利技术属性】
技术研发人员：克利须那·普拉萨德·巴特，陈清麒，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US