CN113541455A - 一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路，包括控制单元；所述控制单元分别连接有多等级驱动电路和连续可调驱动电源，所述多等级驱动电路连接有功率单元；连续可调多等级驱动电路包括四个NMOS开关管，四个PMOS开关管以及四个连续可调驱动电源V_qd1、V_qd2、V_qd3、V_qd4组合实现驱动电压电阻连续可调。本发明栅极驱动器除了隔离传输和功率放大作用外，其还具备减小反向恢复电流尖峰、降低关断过电压、减小器件开关损耗以及开通关断时间。

Description

一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路

技术领域

本发明属于驱动电路改良技术领域，特别涉及一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路。

背景技术

目前商业化SiC器件主要有SiC二极管、SiC晶体管等，而在众多的SiC器件中，最为瞩目的要属SiC MOSFET模块。相比传统的IGBT，SiC MOSFET模块在实现更小的导通电阻的同时不仅拥有更高的击穿耐压还具备优异的高温、高频特性。此外，优异的热导率和高温性能使得SiC MOSFET模块在大功率电力电子应用中对散热器的性能要求降低，使得整个电力电子装置的功率密度和稳定性大幅提升。凭借上述优势，在高性能的电力电子应用中，SiCMOSFET模块将逐步取代Si MOSFET、IGBT和IPM成为功率器件的首选。

驱动保护技术决定了SiC MOSFET模块可以可靠工作，并在发生故障时对模块进行保护。然而，较高的开关速度带来开关震荡、电压电流尖峰、开关损耗问题，短路承受时间短等问题都给SiC MOSFET模块的广泛使用带来了巨大挑战。

驱动电压、驱动电流、驱动电阻对SiC MOSFET模块开关特性都有影响；现有驱动方式过于单一，只能简单切换电压或者电阻，不能兼顾开关时间、开关损耗、开关电压电流尖峰，无法实现精细化调节开关过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路，解决了现有技术中存在的驱动电路过于单一，只能简单切换，无法精细化调节开关过程的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路，包括控制单元；所述控制单元分别连接有多等级驱动电路和连续可调驱动电源，所述多等级驱动电路连接有功率单元。

连续可调多等级驱动电路包括四个NMOS开关管，四个PMOS开关管以及四个连续可调驱动电源V_qd1、V_qd2、V_qd3、V_qd4组合实现驱动电压电阻连续可调。

连续可调驱动电源包括电压设定模块，电压设定模块连接有控制电路，控制电路通过驱动信号连接主电路，主电路的直流电压输出端并联接有采样电路，采样电路输入直流电压给压频转换电路，压频转换电路通过光纤连接有频压转换电路，频压转换电路连接控制电路。

控制电路采用FPGA提供简单的逻辑控制。

驱动电路的开通过程和关断过程都分为三个阶段，分别为开通过程第一阶段开通延迟时间，开通过程第二阶段开通电压下降、开通电流上升和电流尖峰，开通过程第三阶段进入完全开通状态；关断过程第一阶段关断延迟时间，关断过程第二阶段关断电压上升、关断电流下降和电压尖峰，关断过程第三阶段进入完全关断。

一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路的控制方法，采用一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路，具体步骤如下：

步骤1：通过查看新模块对应的数据手册，得到新模块SiC MOSFET模块驱动电压、驱动电阻、密勒电容、驱动电流参数；

步骤2：在双脉冲平台上对此模块的推荐值做双脉冲实验，得到开通时间t_on1、关断时间t_off1、开通损耗E_on1、关断损耗E_off1、开通电流尖峰ΔI_D、关断电压尖峰ΔV_DS；

步骤3：根据步骤2的数据计算SiC MOSFET开通延迟时间小于模块推荐值的延迟时间的驱动电压和电阻{V_qd1 R_Gon1}；计算SiC MOSFET模块关断延迟时间小于商家推荐值的延迟时间的驱动电压和电阻{V_qd4 R_Goff1}；

步骤4：计算开通损耗和关断损耗，假设电流斜率和电压斜率为线性变化，开通过程损耗主要由电流上升、电压下降以及二极管反向恢复效应产生，关断过程损耗主要由漏极-源极电压V_DS上升和漏极电流I_D下降引起；

步骤5：计算开通电流上升斜率、漏极-源极电压斜率小于商家推荐值的电流上升、漏极-源极电压斜率的驱动电压和电阻{V_qd2 R_Gon2}；

步骤5.5：计算关断电流下降斜率、漏极-源极电压斜率小于商家推荐值的电流下降、漏极-源极电压斜率的驱动电压和电阻{V_GSR_Goff2}；

步骤6：开通过程第三阶段为SiC MOSFET模块进入完全开通阶段，该阶段开通驱动电压v_GS为V_qd3，驱动电阻R_G为R_Gon3，通过增加V_qd3或减小R_Gon3加快SiC MOSFET模块进入完全开通的速度，进一步减小开通时间；

步骤6.6：关断过程第三阶段为SiC MOSFET模块进入完全关断阶段，该阶段关断驱动电压v_GS为V_qd4，驱动电阻R_G为R_Goff3，通过增加V_qd4或减小R_Goff3加快SiC MOSFET模块进入完全关断的速度，进一步减小开通时间；

步骤7：计算SiC MOSFET模块开通时间和关断时间。

步骤8：采用综合评价策略找出开通过程和关断过程的最佳驱动效果，开通过程的最佳开通效果是开通时间t_on、开通损耗E_on、开通电流尖峰ΔI_D同时最小；关断过程的最佳评判方式是SiC MOSFET模块的关断时间t_off、关断电压尖峰ΔV_DS和关断损耗E_off同时最小；即V_yon、V_yoff最小；

V_yon＝ΔI_D·t_d·E_on (3-19)

V_yoff＝ΔV_DS·t_s·E_off (3-20)

步骤9：经过以上过程可以得到每个阶段的最佳驱动电压和驱动电阻，从而得到最佳的驱动方案，在第二阶段作用时长，以第二阶段的驱动电压和驱动电阻为参数做双脉冲实验，读取其在第二阶段作用的时间，然后再进行设定，同理第三阶段的作用时间也是通过此方法来确定作用时间。

步骤3中，SiC MOSFET模块开通延迟时间t_d为：

式中：R_Gon1为开通过程第一阶段开通驱动电阻；C_GS为栅极-源极电容；C_GD为栅极-漏极电容；V_qd1为开通过程第一阶段驱动电压；V_T为开通阈值电压；V_GSoff为SiC MOSFET模块关断状态驱动电压。

SiC MOSFET模块关断延迟时间t_s。

式中：R_Goff1为关断过程第一阶段关断驱动电阻；V_qd4为关断过程第一阶段驱动电压；V_GSon为SiC MOSFET模块开通状态驱动电压。

步骤4中，开通损耗E_on和关断损耗E_off的计算方法具体为：

式中：E_on,diD/dt为开通电流上升损耗；E_on,dvDS/dt为开通电压下降损耗；E_Ipeak为开通二极管反向恢复损耗；E_off,diD/dt为关断电流下降损耗；E_off,dvDS/dt为关断电压上升损耗。

开通过程中，电流上升时间损耗如(3-12)所示，电压下降损耗如(3-13)所示。

式中：I_L为负载电流；V_DC为母线电压；L_P为回路电感。此外，σ如(3-14)所示。

电流尖峰如(3-15)所示，反向恢复引起的损耗如(3-16)所示：

式中：Q_rr为二极管反向恢复电荷。

根据(3-10)、(3-12)、(3-13)、(3-16)得开通损耗如(3-17)所示：

同理，关断损耗E_off的计算方法为：

步骤5中，电流上升斜率的计算方法为：

式中：g_m为SiC MOSFET模块的跨导；V_qd2为开通过程第二阶段驱动电压；I_D为漏极额定电流；C_iss为SiC MOSFET模块输入电容；R_Gon2为开通过程第二阶段开通驱动电阻。

驱动电流I_G和漏极-源极电压v_DS斜率的计算方法为：

式中：V_Gmil为密勒电压；I_G为驱动器驱动电流。

由(3-7)、(3-8)计算关断电流下降斜率、漏极-源极电压斜率小于商家推荐值的电流下降、漏极-源极电压斜率的驱动电压和电阻{V_GSR_Goff2}；电压斜率如(3-7)所示，电流斜率如(3-8)所示。

本专利在本阶段驱动电压V_GS选择0V，所以只要开通Q₅和Q₈，就可以实现本阶段关断驱动电压V_GS为0V，关断驱动电阻R_G为R_Goff2。

步骤7中，SiC MOSFET模块开通时间为：

t_on＝Δt₁+Δt₂+Δt₃ (3-5)

式中：Δt₁为SiC MOSFET模块开通过程第一阶段时间；Δt₂为SiC MOSFET模块开通过程第二阶段时间；Δt₃为SiC MOSFET模块开通过程第三阶段时间。

关断过程第三阶段驱动电压v_GS为-V_qd4，驱动电阻R_G为R_Goff3，通过增加V_qd4或减小R_Goff3可以加快SiC MOSFET模块关断速度，进一步减小关断时间。因此SiC MOSFET模块关断时间为：

t_off＝Δt₄+Δt₅+Δt₆ (3-9)

式中：Δt₄为SiC MOSFET模块关断过程第一阶段时间；Δt₅为SiC MOSFET模块关断过程第二阶段时间；Δt₆为SiC MOSFET模块关断过程第三阶段时间。

与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：

栅极驱动器除了隔离传输和功率放大作用外，其还具备减小反向恢复电流尖峰、降低关断过电压、减小器件开关损耗以及开通关断时间。

附图说明

图1为本发明一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路连续可调多

等级驱动电路结构框图

图2为本发明一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路连续可调多等级驱动电路结构图

图3为本发明一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路连续可调多等级驱动电源结构框图

图4为本发明一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路连续可调多

等级驱动电路工作模式

图5为本发明一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路开通关断波形

图6为本发明一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路连续可调多等级驱动对SiC MOSFET开关影响

图7为本发明一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路连续可调多等级驱动对SiC MOSFET开关影响雷达图

图8为本发明一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路连续可调多等级驱动电路图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路，包括控制单元；所述控制单元分别连接有多等级驱动电路，如图2所示，和连续可调驱动电源如图3所示，所述多等级驱动电路连接有功率单元，如图1所示。

连续可调多等级驱动电路包括四个NMOS开关管，四个PMOS开关管以及四个连续可调驱动电源V_qd1、V_qd2、V_qd3、V_qd4组合实现驱动电压电阻连续可调。他们链接方式如图8所示。

连续可调驱动电源包括电压设定模块，电压设定模块连接有控制电路，控制电路通过驱动信号连接主电路，主电路的直流电压输出端并联接有采样电路，采样电路输入直流电压给压频转换电路，压频转换电路通过光纤连接有频压转换电路，频压转换电路连接控制电路。

控制电路采用FPGA提供简单的逻辑控制。

驱动电路的开通过程和关断过程都分为三个阶段，分别为开通过程第一阶段开通延迟时间，开通过程第二阶段开通电压下降、开通电流上升和电流尖峰，开通过程第三阶段进入完全开通状态；关断过程第一阶段关断延迟时间，关断过程第二阶段关断电压上升、关断电流下降和电压尖峰，关断过程第三阶段进入完全关断。

一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路的控制方法，采用一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路，具体步骤如下：

步骤1：通过查看新模块对应的数据手册，得到新模块SiC MOSFET模块驱动电压、驱动电阻、密勒电容、驱动电流参数；

步骤2：在双脉冲平台上对此模块的推荐值做双脉冲实验，得到开通时间t_on1、关断时间t_off1、开通损耗E_on1、关断损耗E_off1、开通电流尖峰ΔI_D、关断电压尖峰ΔV_DS；

步骤3：根据步骤2的数据计算SiC MOSFET开通延迟时间小于模块推荐值的延迟时间的驱动电压和电阻{V_qd1 R_Gon1}；计算SiC MOSFET模块关断延迟时间小于商家推荐值的延迟时间的驱动电压和电阻{V_qd4 R_Goff1}；

步骤4：计算开通损耗和关断损耗，假设电流斜率和电压斜率为线性变化，开通过程损耗主要由电流上升、电压下降以及二极管反向恢复效应产生，关断过程损耗主要由漏极-源极电压V_DS上升和漏极电流I_D下降引起；

步骤5：计算开通电流上升斜率、漏极-源极电压斜率小于商家推荐值的电流上升、漏极-源极电压斜率的驱动电压和电阻{V_qd2 R_Gon2}；

步骤5.5：计算关断电流下降斜率、漏极-源极电压斜率小于商家推荐值的电流下降、漏极-源极电压斜率的驱动电压和电阻{V_GSR_Goff2}；

步骤6：开通过程第三阶段为SiC MOSFET模块进入完全开通阶段，该阶段开通驱动电压v_GS为V_qd3，驱动电阻R_G为R_Gon3，通过增加V_qd3或减小R_Gon3加快SiC MOSFET模块进入完全开通的速度，进一步减小开通时间；

步骤6.6：关断过程第三阶段为SiC MOSFET模块进入完全关断阶段，该阶段关断驱动电压v_GS为V_qd4，驱动电阻R_G为R_Goff3，通过增加V_qd4或减小R_Goff3加快SiC MOSFET模块进入完全关断的速度，进一步减小开通时间；

步骤7：计算SiC MOSFET模块开通时间和关断时间。

步骤8：采用综合评价策略找出开通过程和关断过程的最佳驱动效果，开通过程的最佳开通效果是开通时间t_on、开通损耗E_on、开通电流尖峰ΔI_D同时最小；关断过程的最佳评判方式是SiC MOSFET模块的关断时间t_off、关断电压尖峰ΔV_DS和关断损耗E_off同时最小；即V_yon、V_yoff最小；

V_yon＝ΔI_D·t_d·E_on (3-19)

V_yoff＝ΔV_DS·t_s·E_off (3-20)

步骤9：经过以上过程可以得到每个阶段的最佳驱动电压和驱动电阻，从而得到最佳的驱动方案，在第二阶段作用时长，以第二阶段的驱动电压和驱动电阻为参数做双脉冲实验，读取其在第二阶段作用的时间，然后再进行设定，同理第三阶段的作用时间也是通过此方法来确定作用时间。

步骤3中，SiC MOSFET模块开通延迟时间t_d为：

式中：R_Gon1为开通过程第一阶段开通驱动电阻；C_GS为栅极-源极电容；C_GD为栅极-漏极电容；V_qd1为开通过程第一阶段驱动电压；V_T为开通阈值电压；V_GSoff为SiC MOSFET模块关断状态驱动电压。

SiC MOSFET模块关断延迟时间t_s。

式中：R_Goff1为关断过程第一阶段关断驱动电阻；V_qd4为关断过程第一阶段驱动电压；V_GSon为SiC MOSFET模块开通状态驱动电压。

步骤4中，开通损耗E_on和关断损耗E_off的计算方法具体为：

式中：E_on,diD/dt为开通电流上升损耗；E_on,dvDS/dt为开通电压下降损耗；E_Ipeak为开通二极管反向恢复损耗；E_off,diD/dt为关断电流下降损耗；E_off,dvDS/dt为关断电压上升损耗。

开通过程中，电流上升时间损耗如(3-12)所示，电压下降损耗如(3-13)所示。

式中：I_L为负载电流；V_DC为母线电压；L_P为回路电感。此外，σ如(3-14)所示。

电流尖峰如(3-15)所示，反向恢复引起的损耗如(3-16)所示：

式中：Q_rr为二极管反向恢复电荷。

根据(3-10)、(3-12)、(3-13)、(3-16)得开通损耗如(3-17)所示：

同理，关断损耗E_off的计算方法为：

步骤5中，电流上升斜率的计算方法为：

式中：g_m为SiC MOSFET模块的跨导；V_qd2为开通过程第二阶段驱动电压；I_D为漏极额定电流；C_iss为SiC MOSFET模块输入电容；R_Gon2为开通过程第二阶段开通驱动电阻。

驱动电流I_G和漏极-源极电压v_DS斜率的计算方法为：

式中：V_Gmil为密勒电压；I_G为驱动器驱动电流。

由(3-7)、(3-8)计算关断电流下降斜率、漏极-源极电压斜率小于商家推荐值的电流下降、漏极-源极电压斜率的驱动电压和电阻{V_GSR_Goff2}；电压斜率如(3-7)所示，电流斜率如(3-8)所示。

本专利在本阶段驱动电压V_GS选择0V，所以只要开通Q₅和Q₈，就可以实现本阶段关断驱动电压V_GS为0V，关断驱动电阻R_G为R_Goff2。

步骤7中，SiC MOSFET模块开通时间为：

t_on＝Δt₁+Δt₂+Δt₃ (3-5)

式中：Δt₁为SiC MOSFET模块开通过程第一阶段时间；Δt₂为SiC MOSFET模块开通过程第二阶段时间；Δt₃为SiC MOSFET模块开通过程第三阶段时间。

关断过程第三阶段驱动电压v_GS为-V_qd4，驱动电阻R_G为R_Goff3，通过增加V_qd4或减小R_Goff3可以加快SiC MOSFET模块关断速度，进一步减小关断时间。因此SiC MOSFET模块关断时间为：

t_off＝Δt₄+Δt₅+Δt₆ (3-9)

式中：Δt₄为SiC MOSFET模块关断过程第一阶段时间；Δt₅为SiC MOSFET模块关断过程第二阶段时间；Δt₆为SiC MOSFET模块关断过程第三阶段时间。

本发明的工作原理为：

通过对SiC MOSFET模块开通关断过程分析，将SiC MOSFET模块的开通过程和关断过程都分为三个阶段并分别计算开通延迟时间、开通损耗、开通电流尖峰和开关延迟时间、关断损耗、关断电压尖峰。然后通过控制每个阶段的驱动电压和驱动电阻来精细化调节开通关断过程，使SiC MOSFET模块开关效果得到进一步优化。

本发明的工作过程为：

本发明选择连续可调驱动电源电压V_qd1、V_qd2、V_qd3、V_qd4作为SiC MOSFET模块驱动电压；R_Gon1～R_Gon3为开通电阻；R_Goff1～R_Goff3为关断电阻。通过八只开关管Q₁～Q₈和连续可调驱动电源电压V_qd1、V_qd2、V_qd3、V_qd4；开通电阻R_Gon1、R_Gon2、R_Gon3；关断电阻R_Goff1、R_Goff2、R_Goff3的组合实现连续可调多等级驱动。实现过程如图4所示，当开关管Q₁、Q₈导通时，驱动开通电压V_GS为V_qd1，驱动开通电阻R_G为R_Gon1。同理当Q₂、Q₈导通时，驱动开通电压V_GS为V_qd2，驱动开通电阻R_G为R_Gon2；当Q₃、Q₈导通时，驱动开通电压V_GS为V_qd3，驱动开通电阻R_G为R_Gon3；当Q₄、Q₇导通时，驱动关断电压V_GS为-V_qd4，驱动关断电阻R_G为R_Goff1；当Q₄、Q₈导通时，驱动关断电压V_GS为0V，驱动关断电阻R_G为R_Goff2；当Q₄、Q₇导通时，驱动关断电压V_GS为-V_qd4，驱动关断电阻R_G为R_Goff3。因此，可以利用Q₁～Q₈和连续可调驱动电源V_qd1、V_qd2、V_qd3、V_qd4实现驱动电压连续可调即0～27V可调、开通驱动电阻即R_Gon1、R_Gon2、R_Gon3和关断驱动电阻即R_Goff1、R_Goff2、R_Goff3可调，达到改变驱动回路电阻、电压、电流，实现精细化调节开通关断过程，使SiC MOSFET模块开关效果进一步优化。

本发明的工作原理为：

本发明连续可调多等级驱动电路技术的原理是通过对SiC MOSFET模块开通关断过程分析，将SiC MOSFET模块的开通过程和关断过程都分为三个阶段并分别计算开通延迟时间、开通损耗、开通电流尖峰和开关延迟时间、关断损耗、关断电压尖峰。然后通过控制每个阶段的驱动电压和驱动电阻来精细化调节开通关断过程，使SiC MOSFET模块开关效果得到进一步优化。

本发明基于现有的可变栅极驱动电阻研究成果，将SiC MOSFET模块的开通过程和关断过程都划分为三个阶段，以获得基于连续的开关过程不同的控制目的。如图5所示为SiC MOSFET模块开通关断波形，下面进行详细分析。

1)开通控制策略

(1)[t₀-t₁]：t₀时刻驱动信号PWM高电平到来，SiC MOSFET模块驱动器驱动电压v_GS由负向关断电压V_GSoff开始上升，到t₁时刻即到达SiC MOSFET模块驱动阈值电压V_T时刻。该阶段v_GS主要给栅极-源极电容C_GS充电，并且SiC MOSFET模块漏极电流i_D和漏极-源极电压v_DS不变。把该阶段称为SiC MOSFET模块开通延时阶段，延时时间如(1)所示，并且把该阶段划分为开通第一阶段。由(1)知，该阶段若增加SiC MOSFET模块开通驱动电压V_GS即V_qd1或减小开通驱动电阻R_G即R_Gon1，则可以加快SiC MOSFET模块栅极-源极电容C_GS的充电速度，使SiC MOSFET模块驱动电压v_GS快速到达阈值电压V_T。以此来减小SiC MOSFET模块开通延迟时间t_d。

式中：R_Gon1为开通过程第一阶段开通驱动电阻；C_GS为栅极-源极电容；C_GD为栅极-漏极电容；V_qd1为开通过程第一阶段驱动电压；V_T为开通阈值电压；V_GSoff为SiC MOSFET模块关断状态驱动电压。

(2)[t₁-t₂]：t₁时刻即v_GS由SiC MOSFET模块驱动开通阈值电压V_T开始上升，到t₂时刻即到达SiC MOSFET模块驱动密勒电压V_Gmil。该阶段SiC MOSFET模块漏极电流i_D在t₁时刻开始快速上升，到t₂时刻，漏极电流上升到电流最大值即电流尖峰，并且漏极-源极电压v_DS不变，电流上升斜率如(2)所示。

式中：g_m为SiC MOSFET模块的跨导；V_qd2为开通过程第二阶段驱动电压；I_D为漏极额定电流；C_iss为SiC MOSFET模块输入电容；R_Gon2为开通过程第二阶段开通驱动电阻。

(3)[t₂-t₃]：t₂时刻即SiC MOSFET模块驱动电压v_GS由密勒平台电压值V_Gmil开始，到t₃时刻即v_GS大于密勒电压V_Gmil时刻。该阶段SiC MOSFET模块驱动电压v_GS主要给栅极-漏极电容C_GD充电，并且SiC MOSFET模块漏极-源极电压V_DS在t₂时刻开始下降，到t₃时刻，下降为额定电压的10％。驱动电流如(3)所示。

漏极-源极电压v_DS斜率如(4)所示。

式中：V_Gmil为密勒电压；I_G为驱动器驱动电流。

t₁-t₃阶段主要是SiC MOSFET模块开通电流上升和开通电压下降，由于二极管反向恢复作用，存在电流尖峰。该阶段主要是限制电流上升速度、电压下降速度和电流尖峰。因此把t₁-t₃阶段划分为SiC MOSFET模块开通过程第二阶段。由(3-2)、(3-3)和(3-4)知，增大R_Gon2或减小V_qd2，均可以降低SiC MOSFET模块驱动器驱动电流I_G，从而降低dv_DS/dt、di_D/dt和I_Dpeak。

(4)[t₃-t₄]：t₃时刻即SiC MOSFET模块驱动电压v_GS给栅极-漏极电容C_GD充电完成开始，到t₄时刻即SiC MOSFET模块完全导通。该阶段为SiC MOSFET模块进入深度饱和区。把该阶段划分为开通过程第三阶段。该阶段开通驱动电压v_GS为V_qd3，驱动电阻R_G为R_Gon3，通过增加V_qd3或减小R_Gon3可以加快SiC MOSFET模块进入深度饱和区的速度，进一步减小开通时间。因此SiC MOSFET模块开通时间如(5)所示。

t_on＝Δt₁+Δt₂+Δt₃ (5)

式中：Δt₁为SiC MOSFET模块开通过程第一阶段时间；Δt₂为SiC MOSFET模块开通过程第二阶段时间；Δt₃为SiC MOSFET模块开通过程第三阶段时间。

2)关断控制策略

(1)[t₅-t₆]：t₅时刻驱动信号PWM降低为低电平，SiC MOSFET模块驱动器驱动电压v_GS由导通驱动电压V_GSon开始下降，到t₆时刻即到达SiC MOSFET模块驱动密勒电压V_Gmil时刻。该阶段v_GS主要给栅极-漏极电容C_DS放电，并且SiC MOSFET模块漏极电流i_D及漏极-源极电压v_DS保持不变。把该阶段称为SiC MOSFET模块关断延时阶段，延时时间如(6)所示，并且把该阶段划分为关断过程第一阶段。由(6)知，该阶段若增加SiC MOSFET模块关断驱动电压V_GS即V_qd4或减小关断驱动电阻R_G即R_Goff1，则可以加快SiC MOSFET模块栅极-漏极电容C_DS放电速度即电荷的抽取速度，使SiC MOSFET模块驱动电压v_GS快速到达密勒电压V_Gmil，来减小SiCMOSFET模块关断延迟时间t_s。

式中：R_Goff1为关断过程第一阶段关断驱动电阻；V_qd4为关断过程第一阶段驱动电压；V_GSon为SiC MOSFET模块开通状态驱动电压。

(2)[t₆-t₇]：t₆时刻即SiC MOSFET模块驱动电压v_GS降到密勒平台电压值V_Gmil开始，到t₇时刻即v_GS小于密勒电压V_Gmil时刻。该阶段SiC MOSFET模块漏极-源极电压v_DS在t₆时刻开始上升，到t₇时刻，即漏极电流开始下降时刻。

(3)[t₇-t₈]：t₇时刻即v_GS小于密勒电压V_Gmil时刻开始，到t₈时刻即v_GS等于阈值电压V_T时刻。该阶段SiC MOSFET模块漏极电流i_D在t₇时刻开始快速下降，到t₈时刻，漏极电流下降到电流额定值的10％。该阶段电压斜率如(7)所示，电流斜率如(8)所示。

t₆-t₈阶段主要是电压上升和电流下降，由于SiC MOSFET模块功率回路存在寄生电感L_p，所以如果di_D/dt较大，生成的感应电压会叠加在母线电压上形成电压尖峰。该阶段主要是限制关断电流下降速度、关断电压上升速度和电压尖峰。因此把t₆-t₈阶段划分为SiCMOSFET模块关断过程第二阶段。由(7)和(8)可知，增大R_Goff2或者减小V_GS，均可以降低SiCMOSFET模块驱动器驱动电流I_G，从而降低di_D/dt、dv_DS/dt和V_DSpeak。本论文在本阶段驱动电压V_GS选择0V，所以只要开通Q₅和Q₈，就可以实现本阶段关断驱动电压V_GS为0V，关断驱动电阻R_G为R_Goff2。

(4)[t₈-t₉]：t₈时刻即v_GS等于阈值电压V_T时刻开始，到t₉时刻即SiC MOSFET模块完全关断。把该阶段划分为关断过程第三阶段。该阶段关断驱动电压v_GS为-V_qd4，驱动电阻R_G为R_Goff3，通过增加V_qd4或减小R_Goff3可以加快SiC MOFET模块关断速度，进一步减小关断时间。因此SiC MOSFET关断时间如(9)所示。

t_off＝Δt₅+Δt₆+Δt₇ (9)

式中：Δt₅为SiC MOSFET模块关断过程第一阶段时间；Δt₆为SiC MOSFET模块关断过程第二阶段时间；Δt₇为SiC MOSFET模块关断过程第三阶段时间。

(4)驱动效果计算方法

SiC MOSFET模块开通过程的最佳开通效果是开通时间t_on、开通损耗E_on、开通电流尖峰ΔI_D同时最小；关断过程的最佳评判方式是SiC MOSFET的关断时间t_off、关断电压尖峰ΔV_DS和关断损耗E_off同时最小。

针对开通时间长主要是缩短开通第一阶段和第三阶段时间。同理，关断时间过长主要是缩短关断第一阶段和第三阶段时间。

开关损耗是基于理想的电压电流波形如图(5)计算的。为了简化计算，假设电流斜率和电压斜率为线性变化，则开通过程损耗主要由电流上升、电压下降以及二极管反向恢复效应产生，关断过程损耗主要由漏极-源极电压V_DS上升和漏极电流I_D下降引起，开通损耗如(10)所示，关断损耗如(11)所示。

式中：E_on,diD/dt为开通电流上升损耗；E_on,dvDS/dt为开通电压下降损耗；E_Ipeak为开通二极管反向恢复损耗；E_off,diD/dt为关断电流下降损耗；E_off,dvDS/dt为关断电压上升损耗。

开通过程中，电流上升时间损耗如(12)所示，电压下降损耗如(13)所示。

式中：I_L为负载电流；V_DC为母线电压；L_P为回路电感。此外，σ如(14)所示。

由文献提供的电流尖峰如(15)所示，反向恢复引起的损耗如(16)所示。

式中：Q_rr为二极管反向恢复电荷。

根据(10)、(12)、(13)、(16)得开通损耗如(17)所示。

同理，关断损耗如(3-18)所示。

由(1)和(6)知，开通第一阶段V_qd1，R_Gon1和关断第一阶段V_qd4，R_Goff1分别是影响延迟时间t_d和t_s的主要参数。

由(17)和(18)知，开通损耗和开通过程电压变化率dv_DS/dt、电流变化率di_D/dt有关；关断损耗和关断过程电压变化率dv_DS/dt、电流变化率di_D/dt有关。

由(2)知，开通电流变化率di_D/dt和开通过程驱动电压V_qd2、驱动电阻R_Gon2有关；由(3)和(4)知开通电压变化率dv_DS/dt和开通过程驱动电压V_qd2、驱动电阻R_Gon2有关；

由(7)知关断电压斜率dv_DS/dt和关断过程驱动电压V_qd4、驱动电阻R_Goff2有关；由(8)知关断电流斜率di_D/dt和关断过程驱动电压V_qd4、驱动电阻R_Goff2有关。

因此，针对开通损耗和电流尖峰过大主要是降低开通电流上升阶段和开通电压下降阶段的开通速度，即就是减小驱动电压V_GS即V_qd2和增加驱动电阻R_G即R_Gon2。同理，关断损耗和电压尖峰过大主要是降低关断电压上升和电流下降阶段的关断速度，即就是减小驱动电压V_GS和增加驱动电阻R_G即R_Goff2，本阶段驱动电压本论文选择0V，所以只要开通Q₅和Q₈，就可以实现本阶段关断驱动电压V_GS为0V，关断驱动电阻R_G为R_Goff2。

为了兼顾开关时间、开关损耗、开关电压电流尖峰之间的关系，并寻求最佳的驱动效果，本文用如(19)所示计算值大小表示开通驱动效果；用如(20)所示计算值大小表示关断驱动效果。驱动效果V_yon、V_yoff计算值最小的驱动策略称为综合评价策略，这种策略最主要的目的是为了平衡驱动效果，让过电压、过电流与开关损耗之间达成最佳折衷。经过上述分析，驱动开通最佳效果是开通时间、开通损耗、开通电流尖峰同时达到最小值，即V_yon最小，同理，驱动关断最佳效果是关断时间、关断损耗、关断电压尖峰同时达到最小值，即V_yoff最小。

V_yon＝ΔI_D·t_d·E_on (19)

V_yoff＝ΔV_DS·t_s·E_off (20)

实施例

本实验选择传统驱动方式即开通驱动电压为18V，开通驱动电阻为30Ω；关断电压为-5V，关断电阻为30Ω的实验结果作为比较对象。并计算开通驱动电压为18V，开通驱动电阻为30Ω；关断电压为-5V，关断电阻为30Ω实验结果作为比较对象的最佳效果参数。计算结果为：开通过程第一阶段Δt₁驱动电压V_qd1为20V，驱动电阻R_Gon1为20Ω；第二阶段Δt₂驱动电压V_qd2为18V，驱动电阻R_Gon2为47Ω；第三阶段Δt₃驱动电压V_qd3为20V，驱动电阻R_Gon3为20Ω。因为本论文关断电压选择-5V，所以关断过程第一阶段Δt₄驱动电压V_qd4为5V即V_GS为-5V，驱动电阻R_Goff1为20Ω；第二阶段Δt₅驱动电压为0V，驱动电阻R_Goff2为47Ω；第三阶段Δt₆驱动电压V_qd4为5V即V_GS为-5V，驱动电阻R_Goff3为20Ω。

结果计算出来后，通过FPGA对驱动电源V_qd1、V_qd2、V_qd3、V_qd4进行控制，保持实验条件V_DC＝600V不变的情况下，对其进行实验验证。SiC MOSFET实验结果如图6所示，其中PWM为上位机通过光纤传输的加载到SiC MOSFET栅极-源极之间的驱动电压逻辑信号。开通过程的开通时间t_on、开通损耗E_on、电流尖峰ΔV_DS、di_D/dt、V_yon和关断过程的关断时间t_off、关断损耗E_off、电压尖峰ΔI_D、dv_DS/dt、V_yoff的雷达图如图7所示。

如图6和7所示，蓝色波形为传统驱动开通驱动电压+18V，关断驱动电压-5V，开通关断驱动电阻为30Ω的开关特性测试波形。红色波形为开通驱动电压为+18V，关断驱动电压为-5V，开通驱动电阻第一阶段R_Gon1为20Ω，第二阶段R_Gon2为47Ω，第三阶段R_Gon3为20Ω，关断驱动电阻第一阶段R_Goff1为20Ω，第二阶段R_Goff2为47Ω，第三阶段R_Goff3为20Ω的条件下的开关特性测试波形。绿色波形为开通关断驱动电阻为30Ω，开通驱动电压第一阶段V_qd1为20V即V_GS为20V；第二阶段V_qd2为18V即V_GS为18V；第三阶段V_qd3为20V即V_GS为20V。关断驱动电压第一阶段V_qd4为5V即V_GS为-5V；第二阶段V_GS为0V；第三阶段V_qd4为5V即V_GS为-5V的条件下的开关特性测试曲线。粉色曲线为开通驱动电阻第一阶段R_Gon1为20Ω，第二阶段R_Gon2为47Ω，第三阶段R_Gon3为20Ω，关断驱动电阻第一阶段R_Goff1为20Ω，第二阶段R_Goff2为47Ω，第三阶段R_Goff3为20Ω以及开通驱动电压第一阶段V_qd1为20V即V_GS为20V，第二阶段V_qd2为18V即V_GS为18V，第三阶段V_qd3为20V即V_GS为20V。关断驱动电压第一阶段V_qd4为5V即V_GS为-5V；第二阶段V_GS为0V；第三阶段V_qd4为5V即V_GS为-5V的条件下的开关特性测试曲线。从实验结果总结数据，开通过程如表1所示、关断过程如表2所示。

表1开通效果

表2关断效果

由图6、7实验对比可知，与传统驱动方式比较，连续可调多等级栅极驱动电路能够精细化调节开关过程，有效的兼顾开关时间、开关损耗、开关电压电流尖峰。由表1、2可知，连续可调多等级驱动电路相对于传统驱动电路，开通时间降低了400.6ns、开通损耗降低了52.15％、电流尖峰降低了12A。关断时间降低了118.0ns、关断损耗降低了7.10％、电压尖峰降低了60V，有效的使SiC MOSFET模块开关效果得到进一步优化。

Claims (10)

1.一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路，其特征在于，包括控制单元；所述控制单元分别连接有多等级驱动电路和连续可调驱动电源，所述多等级驱动电路连接有功率单元。

2.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路，其特征在于：所述连续可调多等级驱动电路包括四个NMOS开关管，四个PMOS开关管以及四个连续可调驱动电源V_qd1、V_qd2、V_qd3、V_qd4组合实现驱动电压电阻连续可调。

3.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路，其特征在于：所述连续可调驱动电源包括电压设定模块，电压设定模块连接有控制电路，控制电路通过驱动信号连接主电路，主电路的直流电压输出端并联接有采样电路，采样电路输入直流电压给压频转换电路，压频转换电路通过光纤连接有频压转换电路，频压转换电路连接控制电路。

4.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路，其特征在于：所述控制电路采用FPGA提供简单的逻辑控制。

5.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路，其特征在于：所述驱动电路的开通过程和关断过程都分为三个阶段，分别为开通过程第一阶段开通延迟时间，开通过程第二阶段开通电压下降、开通电流上升和电流尖峰，开通过程第三阶段进入完全开通状态；关断过程第一阶段关断延迟时间，关断过程第二阶段关断电压上升、关断电流下降和电压尖峰，关断过程第三阶段进入完全关断。

6.一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-5所述的一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路，具体步骤如下：

步骤1：通过查看新模块对应的数据手册，得到新模块SiC MOSFET模块驱动电压、驱动电阻、密勒电容、驱动电流参数；

步骤2：在双脉冲平台上对此模块的推荐值做双脉冲实验，得到开通时间t_on1、关断时间t_off1、开通损耗E_on1、关断损耗E_off1、开通电流尖峰ΔI_D、关断电压尖峰ΔV_DS；

步骤3：根据步骤2的数据计算SiC MOSFET开通延迟时间小于模块推荐值的延迟时间的驱动电压和电阻{V_qd1 R_Gon1}；计算SiC MOSFET模块关断延迟时间小于商家推荐值的延迟时间的驱动电压和电阻{V_qd4 R_Goff1}；

步骤4：计算开通损耗和关断损耗，假设电流斜率和电压斜率为线性变化，开通过程损耗主要由电流上升、电压下降以及二极管反向恢复效应产生，关断过程损耗主要由漏极-源极电压V_DS上升和漏极电流I_D下降引起；

步骤5：计算开通电流上升斜率、漏极-源极电压斜率小于商家推荐值的电流上升、漏极-源极电压斜率的驱动电压和电阻{V_qd2 R_Gon2}；

步骤5.5：计算关断电流下降斜率、漏极-源极电压斜率小于商家推荐值的电流下降、漏极-源极电压斜率的驱动电压和电阻{V_GSR_Goff2}；

步骤6：开通过程第三阶段为SiC MOSFET模块进入完全开通阶段，该阶段开通驱动电压v_GS为V_qd3，驱动电阻R_G为R_Gon3，通过增加V_qd3或减小R_Gon3加快SiC MOSFET模块进入完全开通的速度，进一步减小开通时间；

步骤6.6：关断过程第三阶段为SiC MOSFET模块进入完全关断阶段，该阶段关断驱动电压v_GS为V_qd4，驱动电阻R_G为R_Goff3，通过增加V_qd4或减小R_Goff3加快SiC MOSFET模块进入完全关断的速度，进一步减小开通时间；

步骤7：计算SiC MOSFET模块开通时间和关断时间。

步骤8：采用综合评价策略找出开通过程和关断过程的最佳驱动效果，开通过程的最佳开通效果是开通时间t_on、开通损耗E_on、开通电流尖峰ΔI_D同时最小；关断过程的最佳评判方式是SiC MOSFET模块的关断时间t_off、关断电压尖峰ΔV_DS和关断损耗E_off同时最小；即V_yon、V_yoff最小；

V_yon＝ΔI_D·t_d·E_on (3-19)

V_yoff＝ΔV_DS·t_s·E_off (3-20)

步骤9：经过以上过程可以得到每个阶段的最佳驱动电压和驱动电阻，从而得到最佳的驱动方案，在第二阶段作用时长，以第二阶段的驱动电压和驱动电阻为参数做双脉冲实验，读取其在第二阶段作用的时间，然后再进行设定，同理第三阶段的作用时间也是通过此方法来确定作用时间。

7.根据权利要求6所述的一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路的控制方法，其特征在于，所述步骤3中，SiC MOSFET模块开通延迟时间t_d为：

式中：R_Gon1为开通过程第一阶段开通驱动电阻；C_GS为栅极-源极电容；C_GD为栅极-漏极电容；V_qd1为开通过程第一阶段驱动电压；V_T为开通阈值电压；V_GSoff为SiC MOSFET模块关断状态驱动电压。

SiC MOSFET模块关断延迟时间t_s。

式中：R_Goff1为关断过程第一阶段关断驱动电阻；V_qd4为关断过程第一阶段驱动电压；V_GSon为SiC MOSFET模块开通状态驱动电压。

8.根据权利要求6所述的一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路的控制方法，其特征在于，所述步骤4中，开通损耗E_on和关断损耗E_off的计算方法具体为：

式中：E_on,diD/dt为开通电流上升损耗；

为开通电压下降损耗；

为开通二极管反向恢复损耗；

为关断电流下降损耗；

为关断电压上升损耗。

开通过程中，电流上升时间损耗如(3-12)所示，电压下降损耗如(3-13)所示。

式中：I_L为负载电流；V_DC为母线电压；L_P为回路电感。此外，σ如(3-14)所示。

电流尖峰如(3-15)所示，反向恢复引起的损耗如(3-16)所示：

式中：Q_rr为二极管反向恢复电荷。

根据(3-10)、(3-12)、(3-13)、(3-16)得开通损耗如(3-17)所示：

同理，关断损耗E_off的计算方法为：

。

9.根据权利要求6所述的一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路的控制方法，其特征在于，所述步骤5中，电流上升斜率的计算方法为：

式中：g_m为SiC MOSFET模块的跨导；V_qd2为开通过程第二阶段驱动电压；I_D为漏极额定电流；C_iss为SiC MOSFET模块输入电容；R_Gon2为开通过程第二阶段开通驱动电阻。

驱动电流I_G和漏极-源极电压v_DS斜率的计算方法为：

式中：V_Gmil为密勒电压；I_G为驱动器驱动电流。

由(3-7)、(3-8)计算关断电流下降斜率、漏极-源极电压斜率小于商家推荐值的电流下降、漏极-源极电压斜率的驱动电压和电阻{V_GSR_Goff2}；电压斜率如(3-7)所示，电流斜率如(3-8)所示。

本专利在本阶段驱动电压V_GS选择0V，所以只要开通Q₅和Q₈，就可以实现本阶段关断驱动电压V_GS为0V，关断驱动电阻R_G为R_Goff2。

10.根据权利要求6所述的一种SiC MOSFET模块连续可调多等级驱动电路的控制方法，其特征在于，所述步骤7中，SiC MOSFET模块开通时间为：

t_on＝Δt₁+Δt₂+Δt₃ (3-5)

式中：Δt₁为SiC MOSFET模块开通过程第一阶段时间；Δt₂为SiC MOSFET模块开通过程第二阶段时间；Δt₃为SiC MOSFET模块开通过程第三阶段时间。

关断过程第三阶段驱动电压v_GS为-V_qd4，驱动电阻R_G为R_Goff3，通过增加V_qd4或减小R_Goff3可以加快SiC MOSFET模块关断速度，进一步减小关断时间。因此SiC MOSFET模块关断时间为：

t_off＝Δt₄+Δt₅+Δt₆ (3-9)

式中：Δt₄为SiC MOSFET模块关断过程第一阶段时间；Δt₅为SiC MOSFET模块关断过程第二阶段时间；Δt₆为SiC MOSFET模块关断过程第三阶段时间。

Images