CN112491252A

CN112491252A - 一种提升sic mosfet可靠性的驱动方法及电路

Info

Publication number: CN112491252A
Application number: CN202011603609.XA
Authority: CN
Inventors: 陈小平; 李晨光; 张海东; 付加友; 宫兆星; 朱建国
Original assignee: Shenzhen Winline Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Winline Technology Co Ltd
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2021-03-12

Abstract

本发明公开一种提升SIC MOSFET可靠性的驱动方法及电路，可以根据负载情况（电流大小），调整SIC MOSFET管驱动电压，设定负载电流判断临界值，用于防止***误判，提高判断准确性。本发明适用于所有SIC MOSFET的电源方案，通过软硬件结合方式，完全解决掉SIC MOSFET驱动电压应力安全范围较窄易失效的问题，提升产品可靠性。

Description

一种提升SIC MOSFET可靠性的驱动方法及电路

技术领域

本发明涉及ACDC整流电源领域，尤其涉及一种提升SIC MOSFET可靠性的驱动方法及电路。

背景技术

在新能源汽车充电领域，为了提升充电速度，充电模块功率越来越大，受限制于单相电网电流32A限制，通常更高功率需要采用三相电网，大功率电能转换装置要求具有较高的功率因数，以期减少电网无功功耗及谐波等问题。

目前前级为了实现较高的功率因数，通常采用三相维也纳PFC（功率因数校正）拓扑，380VAC线电压在不控整流情况下，整流电压峰值接近540VDC，并考虑输入电网电压波动，因此全母线电压通常设计高达800VDC，为了能够实现充电所需电压电流控制要求，因此通常后级需要加一级DCDC电压转换装置，由于输入母线电压高达800VDC，通常后级采用三电平拓扑（应用600V耐压开关管）或者两电平拓扑（应用1200V开关管），由于目前为了追求高功率密度，***工作频率通常高达上百KHz的开关频率，这个频率范围内目前应用较多的就是金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），而这里面目前主要有两种材料，一种是硅SI MOSFET，另外一种就是碳化硅SIC MOSFET，由于1200V耐压的SI MOSFET成本非常高，远高于1200V耐压的SIC MOSFET，因此如果采用两电平拓扑，通常会用到SCI MOSFET器件。目前SCI MOSFET驱动电压范围较窄，最高正向允许电压小于25VDC，负向允许电压大于-8VDC，不同厂家耐压范围有所不同，但是相比SI MOSFET驱动电压范围较窄，开关管驱动电压通常由于线路上的杂散参数造成振荡，严重时将会造成SIC MOSFET失效炸机，继而导致整个模块不能正常工作。

因此为了控制该电压在满足器件要求的安全范围内，工作驱动电压不能设计太高，但是SIC MOSFET存在一个特性，开关管门极驱动电压越高，导通电阻Rdson越小，越有利于降低导通损耗，这两者之间需要很好平衡，因此SIC MOSFET驱动电压需要精细设计，从而提高该器件应用上的可靠性以及发挥其最大价值。

发明内容

本发明提出一种提升SICMOSFET可靠性的驱动方法及电路。高频开关电源，在高速开关情况下，因为线路中的杂散参数，开关管的驱动电压及漏源极电压会存在高频振荡，当电路中有很大的电压变化量du/dt、电流变化量di/dt，则电压应力进一步增大，因为采用1200V耐压的SIC MOSFET，开关管的漏源极电压应力通常完全满足要求，主要风险点集中在开关管门极驱动电压上，因此可以考虑在开关管门极应力较大的时候降低开关管驱动电压，从而可以有效保证开关管的可靠性，虽然此时降低门极驱动电压带来导通电阻增加，但是由于通常开关管应力较大出现的时刻是在开关电源处于间隙工作模式、轻载等条件下，在带载逐渐增加，整个开关驱动应力变好，因此在间隙及轻载下降低开关管驱动应力，对效率影响不大，此外能够极大提升SIC MOSFET工作的可靠性。

本发明提出的提升SICMOSFET可靠性的驱动方法，可以根据负载情况（电流大小），调整SIC MOSFET管驱动电压，设定负载电流判断临界值，用于防止***误判，提高判断准确性。本发明适用于所有SIC MOSFET的电源方案，通过软硬件结合方式，完全解决掉SICMOSFET驱动电压应力安全范围较窄易失效的问题，提升产品可靠性。

附图说明

图1 是提升SIC MOSFET门极驱动可靠性示意图；

图2 是提升SIC MOSFET门极驱动可靠性的控制过程流程图。

具体实施方式

为了实现本发明的技术方案，让更多的工程技术工作者容易了解和应用本发明，将结合具体实施例，进一步阐述提升SIC MOSFET可靠性的驱动方法及电路。

本发明的提升SIC MOSFET门极驱动可靠性的控制电路包括：

检测单元，检测输出负载电流；

驱动单元，包括驱动变压器；

调节单元，包括与驱动变压器副边绕组连接的绕组切换开关，用于调整驱动变压器副边绕组匝数，从而实现调整驱动单元的驱动电压；

控制单元，根据检测单元数据感知负载情况，根据负载情况控制调节单元。

进一步地，所述根据负载情况控制调节单元包括：当负载电流小于Ix值时，则切换绕组切换开关使驱动变压器副边绕组匝数变小，由此SIC MOSFET门极电压较低，能够提升SIC MOSFET的可靠性；如果负载电流大于Ix值时，则切换绕组切换开关使驱动变压器副边绕组匝数变大，从而提升SIC MOSFET门极驱动电压，降低导通电阻提升效率。

进一步地，Ix的选择包括：通过低压探头测试MOSFET驱动引脚电压，通过调整SICMOSFET的驱动电压调整负载电流，驱动应力刚好进入较小值时对应的负载电流再加电流裕量作为Ix值。

进一步地，绕组切换开关包括Qs1和Qs2，当负载电流小于Ix值时，则绕组切换开关Qs1闭合，Qs2断开；如果负载电流大于Ix值时，则绕组切换开关Qs1断开，Qs2闭合。

进一步地，电流裕量按照驱动应力降低5%来选择。

本发明通过检测输出负载电流，负载电流较大的时候驱动应力较小，负载电流较小的时候驱动应力较大，尤其是在间隙发波工况以及极轻载的情况下，SIC MOSFET驱动应力很高，很容易超过SIC MOSFET要求值。本发明通过调整驱动变压器副边绕组匝数，从而实现调整驱动电压，当负载电流较小时，降低SIC MOS管的驱动平台电压，由于平台电压减小，平台电压加上尖峰电压离允许最大值还有一定降额，则可以保证SIC MOS管的可靠性。由于电路杂散参数的不一致，实际应用中，我们需要通过实际采用低压探头测试MOS管驱动引脚电压，通过调整负载电流，查看在这些工况下那些工况驱动应力较高，需要调整SIC MOS的驱动电压，找到这样的工况条件，留取一定的电流裕量，该电流值作为Ix值，从而保证负载电流在小于Ix值时，驱动电压较低，在大于Ix值时，驱动电压较高，导通电阻较小，实现较高的效率，同时由于重载时驱动应力较小，***可以实现高效稳健的工作。负载电流越小，驱动应力越高，Ix可以这么理解，是驱动应力刚好进入较小的值时候对应的负载电流再加一点裕量，调整负载电流，来找寻什么时刻驱动应力刚好达到我们希望的较小值且再小5%，将这个电流作为Ix。

如图1为提升SIC MOSFET门极驱动可靠性示意图，开关管装置为采用SIC MOSFET的应用，通常有半桥或者全桥结构等方式。通过实时采集负载电流，控制器能够感知模块此时负载情况，根据负载情况控制驱动变压器副边绕组切换开关Qs1以及Qs2是否动作，当负载电流较小，则绕组切换开关Qs1闭合，Qs2断开，因此SIC MOSFET门极电压较低，能够提升SIC MOSFET的可靠性。如果负载电流变大，则控制副边绕组切换开关Qs1断开，Qs2闭合，提升SIC MOSFET门极驱动电压，降低导通电阻提升效率，因为重载稳态下开关管驱动电压应力较低，因此该方案可行。

图2给出提升SIC MOSFET门极驱动可靠性的控制过程，具体策略详细描述如下：

（1）电源模块上电；

（2）变量初始化，即将输出负载电流Io，输出负载电流判断值Ix，所有驱动信号初始值全部清零；

（3）绕组切换开关Qs1闭合，Qs2断开，副边绕组匝数N=Ns1，意味着驱动变压器副边电压匝数较少，则输出电压较低，因为在整个开机过程中，输出负载电流由0逐渐增加，负载电流较小的时候，开关管门极电压振荡较大，因此可以在这个状态下，让整个驱动电压降低一些，以确保可靠性；

（4）MCU实时采集检测负载电流；

（5）判断负载电流是否大于判断门限值Ix，Ix的选择依据电路实际测试查看，负载电流增加到一定值时，通常是电路进入连续模式以后，门极驱动波形较好，应力较小，可以将Ix值设定为该值，不过具体还需要根据电流杂散参数情况作出调整，因此需要实际测试判断；

（6）当检测负载电流大于绕组切换判断电流门限值Ix，则认为可以抬升SICMOSFET驱动电压，因此控制器发出指令，绕组切换开关Qs1断开，Qs2闭合，副边绕组匝数变为Ns1+Ns2，根据不同的SIC MOSFET，设计不同的驱动电压，在保证门极应力可控的情况下，将驱动电压抬升更高，可以降低SIC MOSFET导通电阻，提升效率；

（7）当检测负载电流小于绕组切换判断电流门限值Ix，绕组切换开关Qs2断开，Qs1闭合，副边绕组匝数N=Ns1，驱动电压维持在一个较低的水平，保证驱动门极电压应力满足器件要求，提升SIC MOSFET门极可靠性，防止损坏炸机，驱动门限电压变低，SIC MOSFET导通电阻变大，但是由于驱动门极电压幅值降低，则整个门极电压应力变小，SIC MOSFET工作在更加安全可靠的区间内。

上述实施方式仅是示例性的示出本发明，并不企图限制本发明。另外对于没有详细描述的步骤属于本领域技术人员熟知的技术内容。对于涵盖在本发明构思内的相应的变换和更改均在本发明范围内。

Claims

1.一种提升SIC MOSFET门极驱动可靠性的控制电路，包括：

检测单元，检测输出负载电流；

驱动单元，包括驱动变压器；

2.如权利要求1所述的控制电路，其中所述根据负载情况控制调节单元包括：当负载电流小于Ix值时，则切换绕组切换开关使驱动变压器副边绕组匝数变小，由此SIC MOSFET门极电压较低，能够提升SIC MOSFET的可靠性；如果负载电流大于Ix值时，则切换绕组切换开关使驱动变压器副边绕组匝数变大，从而提升SIC MOSFET门极驱动电压，降低导通电阻提升效率。

3.如权利要求2所述的控制电路，其中Ix的选择包括：通过低压探头测试MOSFET驱动引脚电压，通过调整SIC MOSFET的驱动电压调整负载电流，驱动应力刚好进入较小值时对应的负载电流再加电流裕量作为Ix值。

4.如权利要求2所述的控制电路，其中绕组切换开关包括Qs1和Qs2，当负载电流小于Ix值时，则绕组切换开关Qs1闭合，Qs2断开；如果负载电流大于Ix值时，则绕组切换开关Qs1断开，Qs2闭合。

5.如权利要求3所述的控制电路，其中电流裕量按照驱动应力降低5%来选择。

6.一种提升SIC MOSFET门极驱动可靠性的控制方法，包括：

（1）电源模块上电；

（3）切换绕组切换开关使驱动器副边绕组匝数变小，输出负载电流由0逐渐增加，整个驱动电压降低以确保可靠性；

（4）MCU实时采集检测负载电流；

（5）判断负载电流是否大于绕组切换判断门限值Ix；

（6）当检测负载电流大于绕组切换判断电流门限值Ix，则认为可以抬升SIC MOSFET驱动电压，切换绕组切换开关使副边绕组匝数变大；

（7）当检测负载电流小于绕组切换判断电流门限值Ix，切换绕组切换开关使副边绕组匝数变小，驱动电压维持在较低的水平，保证驱动门极电压应力满足器件要求。

7.如权利要求6所述的控制方法，其中Ix的选择依据电路实际测试，通常是电路进入连续模式以后，门极驱动波形较好，驱动应力较小时对应的负载电流值为Ix。

8.如权利要求6所述的控制方法，其中抬升SIC MOSFET驱动电压包括：根据不同的SICMOSFET，设计不同的驱动电压，在保证门极应力可控的情况下，将驱动电压抬升更高以降低SIC MOSFET导通电阻，提升效率；和/或

其中绕组切换开关包括Qs1和Qs2，当负载电流小于Ix值时，则绕组切换开关Qs1闭合，Qs2断开；如果负载电流大于Ix值时，则绕组切换开关Qs1断开，Qs2闭合。

9.如权利要求6所述的控制方法，其中Ix为驱动应力刚好进入较小值时对应的负载电流再加电流裕量值。

10.如权利要求9所述的控制方法，其中电流裕量按照驱动应力降低5%来选择。