一種用于減小功率半導(dǎo)體器件柵極電壓過沖的方法和裝置與流程
1.本技術(shù)涉及功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于減小功率半導(dǎo)體器件柵極電壓過沖的方法和裝置。
背景技術(shù)：
2.以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體具有工作溫度高、輸入電容低、開關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，是未來電力電子系統(tǒng)的核心器件，其高工作溫度導(dǎo)致其物理距離將不得不遠(yuǎn)離通常情況下難以耐受高溫的柵極驅(qū)動(dòng)電路，從而導(dǎo)致其柵極驅(qū)動(dòng)回路電感增大。其低輸入電容則進(jìn)一步減小了柵極電容，進(jìn)而增加了品質(zhì)因數(shù)。最后，其高工作頻率增加了電壓過沖對系統(tǒng)可靠性的影響以及開關(guān)時(shí)間對系統(tǒng)效率的影響。對于使用第三代半導(dǎo)體器件的電力電子系統(tǒng)，僅僅依靠增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電阻降低柵極電壓過沖是難以發(fā)揮器件性能的，為了克服上述缺陷，現(xiàn)有技術(shù)中通常采用的處理方式以及存在的缺陷如下：（1）由于電壓過沖從源頭上來自柵極驅(qū)動(dòng)回路電感上儲存的能量對柵極電容的充電，減小柵極驅(qū)動(dòng)回路電感可有效地降低該電壓過沖的幅度；然而，受發(fā)熱等限制該方法效果有限，難以完全解決問題；（2）對于不要求發(fā)揮被驅(qū)動(dòng)器件極限性能的應(yīng)用場景，可通過調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動(dòng)電阻到一合理取值，從而在性能和可靠性之間做一取舍，或降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓，從而減小柵極電壓過沖的幅度；然而，增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電阻在抑制電壓過沖的同時(shí)會導(dǎo)致開關(guān)速度降低，增加開關(guān)損耗，影響系統(tǒng)效率；此外，降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓僅減小電壓過沖的絕對幅度，不減小電壓過沖的相對幅度，且容易使被驅(qū)動(dòng)器件發(fā)生二次關(guān)斷，降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓會導(dǎo)致導(dǎo)通內(nèi)阻或?qū)▔航档脑黾右约帮柡碗娏鞯臏p小；（3）對于要求發(fā)揮被驅(qū)動(dòng)器件極限性能的應(yīng)用場景，學(xué)術(shù)界提出了多種方案，主要集中于對被驅(qū)動(dòng)器件的開關(guān)過程進(jìn)行建模，并控制柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出內(nèi)阻（rdac）或電流（idac）在開通和關(guān)斷的過程中發(fā)生變化，使其吸收柵極驅(qū)動(dòng)回路電感上儲存的能量，進(jìn)而減小柵極電壓過沖的幅度；然而，使用基于多輸出單元的idac/rdac型可變內(nèi)阻驅(qū)動(dòng)器成本偏高，且電路及控制均相對復(fù)雜，難以用于低成本應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
3.本技術(shù)旨在提供一種用于減小功率半導(dǎo)體器件柵極電壓過沖的方法和裝置。本技術(shù)采用如下技術(shù)方案：一種用于減小功率半導(dǎo)體器件柵極電壓過沖的裝置，該裝置包括邏輯處理單元fpga、開關(guān)管q1以及開關(guān)管q2；開關(guān)管q1與開關(guān)管q2構(gòu)成1對全控半橋推挽電路，開關(guān)管q1的柵極與開關(guān)管q2的柵極相連并作為驅(qū)動(dòng)信號輸出端。
4.進(jìn)一步的，控制單元fpga接收輸入信號，并對所述輸入信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理以產(chǎn)生兩路輸出信號p1和p2。
5.進(jìn)一步的，所述輸出信號p1和p2分別控制開關(guān)管q1和開關(guān)管q2的通斷，實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)信號v
out
輸出。
6.進(jìn)一步的，所述輸出信號p1和p2分別控制開關(guān)管q1和開關(guān)管q2的通斷，包括：當(dāng)輸入信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，輸出信號p2關(guān)閉開關(guān)管q2，輸出信號p1打開開關(guān)管q1，短暫延時(shí)后關(guān)閉開關(guān)管q1，短暫延時(shí)后再次打開開關(guān)管q1，此時(shí)輸出端vout輸出為正電壓vp，并且正電壓過沖得以抑制。
7.進(jìn)一步的，所述輸出信號p1和p2分別控制開關(guān)管q1和開關(guān)管q2的通斷，包括：當(dāng)輸入信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，輸出信號p1關(guān)閉開關(guān)管q1，輸出信號p2打開開關(guān)管q2，短暫延時(shí)后關(guān)閉開關(guān)管q2，短暫延時(shí)后再次打開開關(guān)管q2，此時(shí)輸出端vout輸出為負(fù)電壓vn，并且負(fù)電壓過沖得以抑制。
8.一種用于減小功率半導(dǎo)體器件柵極電壓過沖的方法，該方法應(yīng)用于上述裝置中，該方法包括如下步驟：步驟1、邏輯處理單元fpga接收輸入信號；步驟2、根據(jù)所述輸入信號的電平高低變化，所述邏輯處理單元fpga產(chǎn)生兩路輸出信號p1和p2；步驟3、所述輸出信號p1和p2分別控制開關(guān)管q1和開關(guān)管q2的通斷，實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)信號v
out
輸出。
9.進(jìn)一步的，在步驟2中，當(dāng)輸入信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，輸出信號p2關(guān)閉開關(guān)管q2，輸出信號p1打開開關(guān)管q1，短暫延時(shí)后關(guān)閉開關(guān)管q1，短暫延時(shí)后再次打開開關(guān)管q1。
10.進(jìn)一步的，在步驟2中，當(dāng)輸入信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，輸出信號p1關(guān)閉開關(guān)管q1，輸出信號p2打開開關(guān)管q2，短暫延時(shí)后關(guān)閉開關(guān)管q2，短暫延時(shí)后再次打開開關(guān)管q2。
11.進(jìn)一步的，輸出端vout輸出為正電壓vp，并且正電壓過沖得以抑制。
12.進(jìn)一步的，輸出端vout輸出為負(fù)電壓vn，并且負(fù)電壓過沖得以抑制。
13.通過本技術(shù)實(shí)施例，可以獲得如下技術(shù)效果：本技術(shù)能有效地抑制被控功率管柵極的電壓過沖；本技術(shù)通過控制推挽電路開關(guān)管的開關(guān)時(shí)序?qū)崿F(xiàn)功率管柵極電壓過沖抑制。相比于現(xiàn)有技術(shù)采用驅(qū)動(dòng)電阻抑制電壓過沖，本技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)速度，因此減小了開關(guān)損耗，提升了系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率。
附圖說明
14.為了更清楚地說明本技術(shù)實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本技術(shù)的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
15.圖1為減小驅(qū)動(dòng)電路柵極電壓過沖的電路示意圖；圖2為輸入信號、開關(guān)管q1、q2和輸出信號v
out
的時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
16.為使本技術(shù)實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本技術(shù)實(shí)施例中的附圖，對本技術(shù)實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本技術(shù)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒炯夹g(shù)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的全部其他實(shí)施例，都屬于本技術(shù)保護(hù)的范圍。
17.本技術(shù)是對現(xiàn)有技術(shù)中上述第三種方案的簡化，將多比特輸出單元簡化為單比特輸出單元，將每次輸出單元導(dǎo)通時(shí)復(fù)雜的輸出電阻或電流波形簡化為通、斷、通三個(gè)階段。圖1為減小驅(qū)動(dòng)電路柵極電壓過沖的電路示意圖，本技術(shù)的方法應(yīng)用于柵極驅(qū)動(dòng)器，該柵極驅(qū)動(dòng)器包括邏輯處理單元fpga、開關(guān)管q1以及開關(guān)管q2（開關(guān)管q1、q2的驅(qū)動(dòng)電路未示出），q3為被驅(qū)動(dòng)器件；輸入信號、開關(guān)管q1、q2和輸出信號vout的時(shí)序如圖2所示。
18.所述減小驅(qū)動(dòng)電路柵極電壓過沖的電路包括控制單元fpga、開關(guān)管q1以及開關(guān)管q2（開關(guān)管q1、q2的驅(qū)動(dòng)電路未示出），開關(guān)管q1與開關(guān)管q2構(gòu)成1對全控半橋推挽電路，開關(guān)管q1的柵極與開關(guān)管q2的柵極相連并作為驅(qū)動(dòng)信號輸出端；所述驅(qū)動(dòng)信號輸出端與被驅(qū)動(dòng)器件q3相連接。
19.控制單元fpga接收輸入信號，并對所述輸入信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理以產(chǎn)生兩路輸出信號p1和p2，所述輸出信號p1和p2分別控制開關(guān)管q1和開關(guān)管q2的通斷，實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)信號v
out
輸出。圖2為輸入信號、開關(guān)管q1、q2和輸出信號v
out
的時(shí)序圖。
20.上述電路工作分為四個(gè)階段：第一階段（對應(yīng)圖2中的i階段）：當(dāng)輸入信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，輸出信號p2關(guān)閉開關(guān)管q2，輸出信號p1打開開關(guān)管q1，短暫延時(shí)后關(guān)閉開關(guān)管q1，短暫延時(shí)后再次打開開關(guān)管q1，此時(shí)輸出端v
out
為正電壓vp，并且正電壓過沖得以抑制；第二階段（對應(yīng)圖2中的ii階段）：輸入信號保持為高電平，開關(guān)管q2保持關(guān)閉，開關(guān)管q1保持打開，輸出端vout保持正電壓vp；第三階段（對應(yīng)圖2中的iii階段）：當(dāng)輸入信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，輸出信號p1關(guān)閉開關(guān)管q1，輸出信號p2打開開關(guān)管q2，短暫延時(shí)后關(guān)閉開關(guān)管q2，短暫延時(shí)后打開開關(guān)管q2，此時(shí)輸出端v
out
拉至接近負(fù)電壓vn，并且負(fù)電壓過沖得以抑制；第四階段（對應(yīng)圖2中的iv階段）：輸入信號保持為低電平，開關(guān)管q2保持打開，開關(guān)管q1保持關(guān)閉，輸出端vout保持負(fù)電壓vn。
21.傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)通過在推挽電路輸出端與功率管柵極之間添加驅(qū)動(dòng)電阻，吸收驅(qū)動(dòng)回路上寄生電感儲存的能量，抑制驅(qū)動(dòng)電壓跳變的斜率，從而減小電壓過沖。本發(fā)明在開通時(shí)刻，調(diào)節(jié)推挽電路開關(guān)管q1開關(guān)時(shí)序，在輸入信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)刻，先短暫打開開關(guān)管q1，然后短暫關(guān)閉開關(guān)管q1，將超出部分的正電壓拉回，最后再次打開開關(guān)管q1，在不減小開關(guān)速度的前提下，抑制柵極電壓在開通時(shí)刻產(chǎn)生的正電壓過沖。同理，在關(guān)斷時(shí)刻，調(diào)節(jié)推挽電路開關(guān)管q2開關(guān)時(shí)序，在輸入信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)刻，先短暫打開開關(guān)管q2，然后短暫關(guān)閉開關(guān)管q2，將超出部分的負(fù)電壓拉回，最后再次打開開關(guān)管q2，在不減小開關(guān)速度的前提下，抑制柵極電壓在關(guān)斷時(shí)刻產(chǎn)生的負(fù)電壓過沖。
22.綜上所述，傳統(tǒng)被驅(qū)動(dòng)器件的柵極通過較高阻值的柵極驅(qū)動(dòng)電阻連接?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電路，從而抑制開通關(guān)斷瞬間柵極電壓過沖。本技術(shù)的方法會降低柵極電壓的斜率，導(dǎo)致被驅(qū)
動(dòng)器件的開關(guān)速度變慢，進(jìn)而增加開關(guān)損耗，從而需要設(shè)計(jì)人員在可靠性和性能之間做一取舍。本技術(shù)在大幅度減小甚至消除柵極驅(qū)動(dòng)電阻的情況下，可以有效地抑制被驅(qū)動(dòng)器件柵極在開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電壓過沖，從而在不降低可靠性的情況下提高開關(guān)速度，降低開關(guān)損耗，提升整個(gè)系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率。
23.最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本技術(shù)的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本技術(shù)權(quán)利要求書所限定的范圍。
技術(shù)特征：
1.一種用于減小功率半導(dǎo)體器件柵極電壓過沖的裝置，其特征在于，該裝置包括邏輯處理單元fpga、開關(guān)管q1以及開關(guān)管q2；開關(guān)管q1與開關(guān)管q2構(gòu)成1對全控半橋推挽電路，開關(guān)管q1的柵極與開關(guān)管q2的柵極相連并作為驅(qū)動(dòng)信號輸出端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，控制單元fpga接收輸入信號，并對所述輸入信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理以產(chǎn)生兩路輸出信號p1和p2。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述輸出信號p1和p2分別控制開關(guān)管q1和開關(guān)管q2的通斷，實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)信號v
out
輸出。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述輸出信號p1和p2分別控制開關(guān)管q1和開關(guān)管q2的通斷，包括：當(dāng)輸入信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，輸出信號p2關(guān)閉開關(guān)管q2，輸出信號p1打開開關(guān)管q1，短暫延時(shí)后關(guān)閉開關(guān)管q1，短暫延時(shí)后再次打開開關(guān)管q1，此時(shí)輸出端vout輸出為正電壓vp，并且正電壓過沖得以抑制。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述輸出信號p1和p2分別控制開關(guān)管q1和開關(guān)管q2的通斷，包括：當(dāng)輸入信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，輸出信號p1關(guān)閉開關(guān)管q1，輸出信號p2打開開關(guān)管q2，短暫延時(shí)后關(guān)閉開關(guān)管q2，短暫延時(shí)后再次打開開關(guān)管q2，此時(shí)輸出端vout輸出為負(fù)電壓vn，并且負(fù)電壓過沖得以抑制。6.一種用于減小功率半導(dǎo)體器件柵極電壓過沖的方法，該方法應(yīng)用于如權(quán)利要求1至5之一所述的裝置中，其特征在于，該方法包括如下步驟：步驟1、邏輯處理單元fpga接收輸入信號；步驟2、根據(jù)所述輸入信號的電平高低變化，所述邏輯處理單元fpga產(chǎn)生兩路輸出信號p1和p2；步驟3、所述輸出信號p1和p2分別控制開關(guān)管q1和開關(guān)管q2的通斷，實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)信號v
out
輸出。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在步驟2中，當(dāng)輸入信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，輸出信號p2關(guān)閉開關(guān)管q2，輸出信號p1打開開關(guān)管q1，短暫延時(shí)后關(guān)閉開關(guān)管q1，短暫延時(shí)后再次打開開關(guān)管q1。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在步驟2中，當(dāng)輸入信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，輸出信號p1關(guān)閉開關(guān)管q1，輸出信號p2打開開關(guān)管q2，短暫延時(shí)后關(guān)閉開關(guān)管q2，短暫延時(shí)后再次打開開關(guān)管q2。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，輸出端vout輸出為正電壓vp，并且正電壓過沖得以抑制。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，輸出端vout輸出為負(fù)電壓vn，并且負(fù)電壓過沖得以抑制。
技術(shù)總結(jié)
本申請?zhí)峁┝艘环N用于減小功率半導(dǎo)體器件柵極電壓過沖的方法，該方法在開通時(shí)刻調(diào)節(jié)推挽電路開關(guān)管Q1開關(guān)時(shí)序，在輸入信號由低電平跳變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)刻，先短暫打開開關(guān)管Q1，然后短暫關(guān)閉開關(guān)管Q1，將超出部分的正電壓拉回，最后再次打開開關(guān)管Q1，在不減小開關(guān)速度的前提下，抑制柵極電壓在開通時(shí)刻產(chǎn)生的正電壓過沖。本申請通過控制推挽電路開關(guān)管的開關(guān)時(shí)序?qū)崿F(xiàn)功率管柵極電壓過沖抑制，相比于傳統(tǒng)方法，本申請能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)速度，因此減小了開關(guān)損耗，提升了系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率。提升了系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率。提升了系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率。
