一种SiCMOSFET的有源栅极驱动电路及方法技术

本发明专利技术涉及一种SiC MOSFET的有源栅极驱动电路及方法，用于改善SiC MOSFET开关性能，属于电力电子领域。在传统栅极驱动CGD的基础上，AGD在特定瞬态开关阶段向栅极提供额外的驱动电流，加速SiC MOSFET的特定瞬态开关阶段，以致SiC MOSFET获得更高的开关速度和整个开关期间更低的开关损耗；在振荡阶段接入较大的栅极驱动电阻来减小振荡幅度从而减小EMI。与传统的固定驱动电压的栅极驱动器CGD相比，本发明专利技术AGD可以更有选择性地调节SiC MOSFET的开关轨迹，灵活度更高，并具有抑制过冲、振荡和降低损耗的能力，同时不影响EMI。同时不影响EMI。同时不影响EMI。

【技术实现步骤摘要】
一种SiC MOSFET的有源栅极驱动电路及方法


[0001]本专利技术涉及电力电子领域，尤其是涉及一种提升SiC MOSFET开关性能的有源栅极驱动器。

技术介绍

[0002]以碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)为代表的宽禁带半导体器件的诞生和发展使电力电子技术迎来了新的发展，凭借宽禁带、高击穿电场、高电子饱和速率和高导热性等优点，其广泛应用在高压、高频等大功率场合。传统基于硅(Si)MOSFET、IGBT的驱动电路无法完全发挥SiC MOSFET的优异性能，针对SiC MOSFET的应用有必要采用合适的栅驱动设计技术。想要SiC MOSFET在应用中展现更低的应力、更高的开关频率、增加的开关速度和更高的效率，通常期望栅极驱动电路通过控制SiC MOSFET的导通和关断转换来满足这些要求。最广泛使用的常规栅极驱动(CGD)采用固定的栅极驱动电压和固定的接通/关断栅极驱动电阻来操作SiC MOSFET，该方法的挑战性是栅极电阻值的选择。低值栅极电阻器的使用导致SiC MOSFET的更高开关速度，包括更短的延迟时间、更高的电流和电压变化斜率以及更低的导通/关断损耗，然而，相应地出现较高的电磁干扰(EMI)和较高的器件应力。另一方面，高值栅极电阻有助于降低EMI和器件应力水平，但会延长开关瞬变并增加开关损耗。
[0003]例如专利申请CN111971884A所公开方案，为了克服CGD的局限性，已经提出了一些用于主动控制SiC MOSFET的开关瞬态以获得期望的开关性能的方法。一般来说，这些方法可分为三类：开环方法、闭环方法和状态反馈方法。开环方法：该技术的主要缺点是关断性能未优化和导通延迟时间延长；闭环方法：该方法依赖于反馈信号和预设的参考信号来产生误差信号，然后将误差信号放大以驱动栅极，这些数字化控制方法需要对开关变量(v
gs
、v
ds
、i
d
等)进行采样，具有高速模数转换器(ADC)，其成本高并且需要高性能控制器来处理采样数据，此外，由A/D转换和数据处理过程引起的高延迟会影响控制性能的准确性；状态反馈方法：其将开关瞬态分为接通/关断延迟阶段、电流上升/下降阶段和电压上升/下降阶段，依赖于状态反馈信号的检测电路总是需要检测这些阶段。因此，通过在不同阶段内施加适当的栅极驱动电流强度，可以优化SiC MOSFET的开关性能，但是对于完整的模拟电路，状态反馈方法不可能执行SiC MOSFET开关特性的在线调节。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的问题：低值栅极电阻器的使用导致SiC MOSFET的更高开关速度，包括更短的延迟时间、更高的电流和电压变化斜率以及更低的导通/关断损耗，然而，相应地出现较高的电磁干扰(EMI)和较高的器件应力。另一方面，高值栅极电阻有助于降低EMI和器件应力水平，但会延长开关瞬变并增加开关损耗，开关速度与开关损耗存在一定的折中。本专利技术提供一种提升SiC MOSFET开关性能的有源栅极驱动器及驱动方法。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]作为本专利技术的第一方面，提供一种SiC MOSFET的有源栅极驱动电路，所述有源栅极驱动AGD电路包括：
[0007]传统栅极驱动CGD，用于驱动SiC MOSFET开关，并提供较大的驱动电阻；
[0008]互补电流源CCS，包括一对互补电流源CS，其中单个CS包括电压放大器和电流镜；数模转换器DAC输出电流经电压放大器电路放大得到基准电流，基准电流激活电流镜电路，输出驱动电流，两个所述CS中各个双极晶体管类型互为互补型，用于提供额外驱动电流。
[0009]进一步的，所述有源栅极驱动电路还包括电压反馈电路以及FPGA控制器。
[0010]进一步的，所述电压反馈电路用于采集漏源极电压与源极电感两端的电压。
[0011]进一步的，所述FPGA控制器用于执行自适应控制方法，AGD独立于SiC MOSFET的开关条件变化，根据预设的参考值来调整导通/关断延迟时间和导通/关断电压斜率。
[0012]作为本专利技术的第二方面，提供一种SiC MOSFET的有源栅极驱动方法，所述方法应用如上所述一种SiC MOSFET的有源栅极驱动电路，包括：
[0013]传统栅极驱动CGD驱动SiC MOSFET开关，其中接通过程包括：S1接通延迟级、S2导通电流上升阶段、S3导通电压下降阶段和S4导通阶段，关断过程包括：S5关断延迟级、S6关断电压上升阶段、S7关断电流下降阶段和S8关断阶段
[0014]在特定瞬态开关阶段向栅极提供额外的驱动电流，在振荡阶段接入较大的驱动电阻；
[0015]在开关损耗和开关应力的权衡下，分析和计算最佳电流注入延迟时间，通过自适应开关速度控制调节SIC MOSFET的开关速度，在栅极驱动器改变开关条件时以指定的延迟时间和固定的电压斜率操作。
[0016]进一步的，所述SIC MOSFET的不同开关阶段通过三个信号来检测：导通/关断命令信号、漏源极电压v
DS
和源极电感两端的电压v
Ls(ext)
；
[0017]通过将采样的v
DS
与两个阈值比较，检测电压变化阶段；
[0018]通过将采样的v
Ls(ext)
与略高于/低于零的电压阈值v
Ls(ext)
(th)/
‑
v
Ls(ext)
(th)比较，检测电流变化阶段。
[0019]进一步的，对于导通瞬态，开关阶段检测具体步骤包括：
[0020]由导通命令信号触发S1；
[0021]当源极电感两端的电压v
Ls(ext)
下降到略低于零的电压阈值
‑
v
Ls(ext)
(th)以下，S2开始；
[0022]随着源极电感两端的电压v
Ls(ext)
的极性再次从负改变为正，S3开始；
[0023]当漏源极电压v
DS
下降到0.1V
dc
以下时，确认进入S4；
[0024]由关断命令信号的触发S5；
[0025]当漏源极电压v
DS
上升到0.1倍直流母线等效的理想电压源电压V
dc
以上，进入S6；
[0026]当漏源极电压v
DS
达到0.9倍直流母线等效的理想电压源电压V
dc
，进入S7；
[0027]当v
Ls(ext)
幅度的开始下降，检测进入S8。
[0028]进一步的，在所述接通过程中，CGD用于向栅极提供正电压偏置V
CC
来导通SIC MOSFET，利用可调CSS以改善SIC MOSFET的导通开关性能，具体过程如下：
[0029]S1：当给出导通命令信号，同时激活CGD和CCS，对S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SiC MOSFET的有源栅极驱动电路，其特征在于，所述有源栅极驱动AGD电路包括：传统栅极驱动CGD，用于驱动SiC MOSFET开关，并提供较大的驱动电阻；互补电流源CCS，包括一对互补电流源CS，其中单个CS包括电压放大器和电流镜；数模转换器DAC输出电流经电压放大器电路放大得到基准电流，基准电流激活电流镜电路，输出驱动电流，两个所述CS中各个双极晶体管类型互为互补型，用于提供额外驱动电流。2.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET的有源栅极驱动电路，其特征在于，所述有源栅极驱动电路还包括电压反馈电路以及FPGA控制器。3.根据权利要求2所述的一种SiC MOSFET的有源栅极驱动电路，其特征在于，所述电压反馈电路用于采集漏源极电压与源极电感两端的电压。4.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET的有源栅极驱动电路，其特征在于，所述FPGA控制器用于执行自适应控制方法，所述有源栅极驱动电路独立于SiC MOSFET的开关条件变化，根据预设的参考值来调整导通/关断延迟时间和导通/关断电压斜率。5.一种SiC MOSFET的有源栅极驱动方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1
‑
4任一所述一种SiC MOSFET的有源栅极驱动电路，包括：传统栅极驱动CGD驱动SiC MOSFET开关，其中接通过程包括：S1接通延迟级、S2导通电流上升阶段、S3导通电压下降阶段和S4导通阶段，关断过程包括：S5关断延迟级、S6关断电压上升阶段、S7关断电流下降阶段和S8关断阶段在特定瞬态开关阶段向栅极提供额外的驱动电流，在振荡阶段接入较大的驱动电阻；在开关损耗和开关应力的权衡下，分析和计算最佳电流注入延迟时间，通过自适应开关速度控制调节SIC MOSFET的开关速度，在栅极驱动器改变开关条件时以指定的延迟时间和固定的电压斜率操作。6.根据权利要求5所述的一种SiC MOSFET的有源栅极驱动方法，其特征在于，所述SIC MOSFET的不同开关阶段通过三个信号来检测：导通/关断命令信号、漏源极电压v
DS
和源极电感两端的电压v
Ls(ext)
；通过将采样的v
DS
与两个阈值比较，检测电压变化阶段；通过将采样的v
Ls(ext)
与略高于/低于零的电压阈值v
Ls(ext)
(th)/
‑
v
Ls(ext)
(th)比较，检测电流变化阶段。7.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔昊杨，伍娟，杨程，李嘉文，李珂，江超，薛亮，乐应波，彭道刚，余恒文，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：