一种SiCMOSFET驱动电路参数优化设计方法技术

本发明专利技术提供一种SiC MOSFET驱动电路参数优化设计方法，用于提升SiC基电力电子变换器的设计可靠性。该参数设计方法包括：构造干扰路径传递函数的特征多项式；根据特征多项式构造标准二阶系统；取SiC MOSFET的输入电容C

【技术实现步骤摘要】
一种SiC MOSFET驱动电路参数优化设计方法


[0001]本专利技术涉及一种SiC MOSFET驱动电路参数优化设计方法。

技术介绍

[0002]目前SiC MOSFET在实际应用中，仍然沿用传统SiC MOSFET的驱动设计方法。然而，SiC MOSFET一般具有较快的开关速度和较高的电压承受能力，因而相比Si器件具有更高的电压变化率，栅源电压干扰问题更突出。
[0003]限制其SiC MOSFET开关速度的两个主要因素是栅极驱动能力和栅源电压干扰问题。参考文献[1]、参考文献[2]以及参考文献[3]在传统SiMOSFET的驱动电路设计基础上，额外增加栅源电压最大变化值校验环节，依据电压变化率、驱动电阻和结电容等效电路估算了干扰引起的栅源电压最大变化值，防止栅源电压干扰问题引发器件损伤甚至失效。类似的，参考文献[4]中详细介绍了10kV SiC MOSFET在开关瞬态时的表征，指出在导通瞬态中，栅源电压干扰的正向尖峰将可能产生击穿电流，且由于该击穿电流的存在，增大导通电流和导通损耗；在关断瞬态中，栅源电压干扰的负向尖峰在超过允许范围时将会导致器件性能退化。在此基础上，参考文献[4]讨论了对栅源电压的干扰和对开关速度的限制，并在极端情况下，即假设通过器件的米勒电容的所有电流都对其栅源电容进行充电时，通过结电容等效电路估算最大栅源电压变化幅度。
[0004]这些研究解释了栅源电压干扰的本质原因，为改进栅极驱动电路设计、消除干扰、提高开关速度提供了概念性依据；然而，这些研究尚未考虑影响SiC MOSFET动态特性的关键杂散参数，如栅极内阻、驱动回路电感和功率回路电感等。SiC MOSFET驱动电路参数优化设计方法尚不完备，急需针对SiC MOSFET高开关速度的特点，探索适合SiC基MOSFET的驱动设计方法，为SiC MOSFET器件未来在更高功率等级、更高性能要求场合的应用提供理论指导和应用技术支撑。
[0005]参考文献：
[0006][1]Zhang Z,Zhang W,Wang F,et al.Analysis of the Switching Speed Limitation of Wide Band-Gap Devices in a Phase-Leg Configuration:2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),Raleigh,USA,2012[C].IEEE,15-20Sep.2012.
[0007][2]Chen Z.Characterization and Modeling of High-Switching-Speed Behavior of SiC Active Devices[Dissertation].VirginiaPolytechnic Institute,2009.
[0008][3]Nguyen B,Zhang X,Ferencz A,et al.Analytic model for power MOSFET turn-off switching loss under the effect of significant current diversion at fast switching events:2018IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC),2018[C].287-291.
[0009][4]Ji S,Zheng S,Wang F,et al.Temperature-Dependent Characterization,
Modeling,and Switching Speed-Limitation Analysis of Third-Generation 10-kV SiC MOSFET[J].IEEE T POWER ELECTR,2018,33(5):4317-4327.

技术实现思路

[0010]本专利技术要解决的技术问题，在于提供一种SiC MOSFET驱动电路参数优化设计方法，揭示驱动电阻与干扰尖峰、干扰振荡之间的关系，以栅极应力最小为目标，进行优化设计驱动电阻，提升SiC基电力电子变换器的设计可靠性。
[0011]本专利技术是这样实现的：一种SiC MOSFET驱动电路参数优化设计方法，包括如下步骤：
[0012]步骤S1：构造干扰路径传递函数的特征多项式D(s)；
[0013]步骤S2：根据特征多项式构造标准二阶系统CT(s)＝1/D(s)；
[0014]步骤S3：取SiC MOSFET的输入电容C
iss
和栅极内电阻R
g
为基准值进行参数标幺化：并联辅助电容驱动回路杂散电感驱动电阻R
*
＝R/R
g
；
[0015]步骤S4：验证杂散电感是否达到设定要求，以保证标准二阶系统CT(s)具有限定的阻尼比，驱动回路杂散电感标幺值为：
[0016][0017]步骤S5：设计辅助并联电容标幺值：
[0018][0019]步骤S6：设计驱动电阻标幺值：
[0020]。
[0021]进一步地，所述干扰路径传递函数为：
[0022][0023]式中，D(s)为特征多项式，R表示驱动回路电阻，R
g
表示MOSFET栅极内电阻，C
rss
和C
iss
均表示MOSFET结电容，C
a
表示栅源极并联辅助电容，L
i
表示驱动回路电感，包括栅极引脚寄生电感L
g
以及源极引脚上的驱动回路电感L
s
，s为复频域。
[0024]进一步地，所述驱动回路传递函数的特征多项式D(s)，由于该特征多项式的三阶项系数远小于其他几项系数，将其近似视为二阶多项式，其数学表达式为：
[0025]D(s)＝s2(RR
g
C
a
C
iss
+L
i
C
iss
)+s(R
g
C
iss
+RC
iss
+RC
a
)+1
[0026]式中，R表示驱动回路电阻，R
g
表示MOSFET栅极内电阻，C
iss
表示MOSFET结电容，C
a
表示栅源极并联辅助电容，L
i
表示驱动回路电感，包括栅极引脚寄生电感L
g
以及源极引脚上的驱动回路电感L
s
，s为复频域。
[0027]进一步地，所述干扰路径的特性由D(s)进行描述，描述栅源电压干扰的标准二阶系统CT(s)为：
[0028]。
[0029]进一步地，根据所述标准二阶系统CT(s)，得到其阻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SiC MOSFET驱动电路参数优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S1：构造干扰路径传递函数的特征多项式D(s)；步骤S2：根据特征多项式构造标准二阶系统CT(s)＝1/D(s)；步骤S3：取SiC MOSFET的输入电容C
iss
和栅极内电阻R
g
为基准值进行参数标幺化：并联辅助电容驱动回路杂散电感驱动电阻R
*
＝R/R
g
；步骤S4：验证杂散电感是否达到设定要求，以保证标准二阶系统CT(s)具有限定的阻尼比，驱动回路杂散电感标幺值为：步骤S5：设计辅助并联电容标幺值：步骤S6：设计驱动电阻标幺值：。2.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET驱动电路参数优化设计方法，其特征在于：所述干扰路径传递函数为：式中，D(s)为特征多项式，R表示驱动回路电阻，R
g
表示MOSFET栅极内电阻，C
rss
和C
iss
均表示MOSFET结电容，C
a
表示栅源极并联辅助电容，L
i
表示驱动回路电感，包括栅极引脚寄生电感L
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以及源极引脚上的驱动回路电感L
s
，s为复频域。3.根据权利要求2所述的一种SiC MOSFET驱动电路参数优化设计方法，其特征在于：所述驱动回路传递函数的特征多项式D(s)，由于该特征多项式的三阶项系数远小于其他几项系数，将其近似视为二阶多项式，其数学表达式为：D(s)＝s2(RR
g
C
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C
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)+1式中，R表示驱动回路电阻，R
g
表示MOSFET栅极内电阻，C
iss
表示MOSFET结电容，C
a
表示栅源极并联辅助电容，L
i
表示驱动回路电感，包括栅极引脚寄生电感L
g
以及源极引脚上的驱动回路电感L
s
，s为复频域。4.根据权利要求3所述的一种SiC MOSFET驱动电路参数优化设计方法，其特征在于：所述干扰路径的特性由D(s)进行描述，描述栅源电压干扰的标准二阶系统CT(s)为：。5.根据权利要求4所述的一种SiC MOSFET驱动电路参数优化设计方法，其特征在于：根据所述标准二阶系统CT(s)，得到其阻尼比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵天骢，郑琼林，李志君，李虹，黄波，邱志东，张志朋，王作兴，王佳信，
申请(专利权)人：泰科天润半导体科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：