[發(fā)明專利]一種碳化硅MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910802107.0
• 申請(qǐng)日: 2019-08-28
• 公開（公告）號(hào): CN110661515B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙文祥;黃林森;杜育軒;邱先群;晉世博;王恒;吉敬華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號(hào): H03K17/08
• 分類號(hào): H03K17/08;H03K17/14;H03K17/567
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本發(fā)明提供了一種碳化硅MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器，包括驅(qū)動(dòng)邏輯控制電路，短路故障檢測(cè)電路、驅(qū)驅(qū)動(dòng)模塊1、驅(qū)動(dòng)模塊2、驅(qū)動(dòng)模塊3、驅(qū)動(dòng)模塊4。本發(fā)明通過集成4個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，分別控制碳化硅MOSFET不同時(shí)刻的柵極電壓變化，實(shí)現(xiàn)了開通柵極電平變化方式、關(guān)斷柵極電平變化方式、軟關(guān)斷柵極電平變化可配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化硅MOSFET導(dǎo)通溝道寬度的控制，減小了開通時(shí)刻出現(xiàn)短路故障的短路電流，提高了碳化硅MOSFET工作的可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)全控型MOSFET和IGBT功率半導(dǎo)體柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳化硅MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器。

背景技術(shù)

碳化硅材料具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、寬禁帶，高熱導(dǎo)率，高電子飽和速度等特點(diǎn)，使得碳化硅功率器件相比于硅功率器件具有更高的工作頻率，更低導(dǎo)通電阻，更高的工作溫度。寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅器件尤其是碳化硅MOSFET的使用，進(jìn)一步推動(dòng)了電力電子變換器向高頻、高功率密度發(fā)展。

碳化硅MOSFET得益于高擊穿場(chǎng)強(qiáng),將晶片的厚度和面積做得比較小，實(shí)現(xiàn)了低導(dǎo)通電阻的特性。然而更小的晶片面積和厚度影響了其對(duì)短路電流的耐受，一方面低導(dǎo)通電阻和更短的導(dǎo)電溝道導(dǎo)致了短路時(shí)短路電流上升速率更快，另一方面更小的晶片面積和厚度導(dǎo)致短路時(shí)碳化硅MOSFET的結(jié)溫上升得比較快。另外碳化硅MOSFET更低的導(dǎo)通閾值電壓和更要的導(dǎo)通柵極電壓，在短路動(dòng)作時(shí)需要更長的關(guān)斷時(shí)間來使得柵極電壓降低到閾值電壓以下。因此在碳化硅MOSFET在開通時(shí)刻出現(xiàn)短路，將會(huì)比硅器件的IGBT和MOSFET更容易損壞。傳統(tǒng)針對(duì)硅功率器件IGBT和MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，直接應(yīng)用到碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)中，會(huì)因碳化硅MOSFET短路耐受低的特點(diǎn)，存在短路無法及時(shí)保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。

目前針對(duì)硅功率器件IGBT和MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)解決方案，在IGBT和MOSFET需要開通時(shí)在柵極施加一個(gè)正電壓使IGBT和MOSFET快速開通。在IGBT和MOSFET需要關(guān)斷時(shí)在柵極施加0或者負(fù)電壓使IGBT和MOSFET快速關(guān)斷。在出現(xiàn)短路故障時(shí)采用軟關(guān)斷和兩電平關(guān)斷的方案。在最常用的橋式電路中，當(dāng)同一橋臂中的某一開關(guān)管器件損壞時(shí)，另一開關(guān)管在開通時(shí)會(huì)出現(xiàn)短路的情況。如果此時(shí)功率器件的柵極電壓過高會(huì)導(dǎo)致IGBT和MOSFET短路時(shí)刻的飽和電流過大，使得IGBT和MOSFET的短路耐受時(shí)間降低。在當(dāng)前常用的驅(qū)動(dòng)方案中大多采用單電平將柵極電壓迅速升高導(dǎo)通。此時(shí)的IGBT和MOSFET的電流增益大，飽和電流大。當(dāng)出現(xiàn)短路情況發(fā)生時(shí)，過大的飽和電流會(huì)導(dǎo)致短路保護(hù)動(dòng)作還沒有完成保護(hù)動(dòng)作前損壞IGBT和MOSFET，使得短路故障無法被阻止，造成更加嚴(yán)重的短路事故。另外現(xiàn)有柵極驅(qū)動(dòng)器的開通方式、關(guān)斷和短路時(shí)刻的關(guān)斷的電平變化方式都比較固定，無法根據(jù)實(shí)際需求靈活配置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的硅IGBT和硅MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路直接應(yīng)用到碳化硅MOSFET時(shí)存在的缺陷，解決碳化硅MOSFET開通時(shí)刻出現(xiàn)短路，短路電流過大，碳化硅MOSFET短路耐受時(shí)間不足，短路保護(hù)電路尚未動(dòng)作碳化硅MOSFET就已損壞的問題，解決柵極開通電平變化方式，關(guān)斷電平方式，軟關(guān)斷電平變化方式無法靈活配置的問題，本發(fā)明提供了一種碳化硅MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路。

本發(fā)明的目的是通過如下措施來達(dá)到開通柵極電平變化方式、關(guān)斷電平方式、軟關(guān)斷電平變化可配置；限制開通時(shí)刻的短路電流，延長碳化硅MOSFET短路的耐受時(shí)間，提高碳化硅MOSFET的可靠性。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種碳化硅MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器，包括驅(qū)動(dòng)邏輯控制電路，短路故障檢測(cè)電路、驅(qū)驅(qū)動(dòng)模塊1、驅(qū)動(dòng)模塊2、驅(qū)動(dòng)模塊3、驅(qū)動(dòng)模塊4；

所述驅(qū)動(dòng)邏輯控制電路一端接收PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)，另一端分別和短路故障檢測(cè)電路、驅(qū)驅(qū)動(dòng)模塊1、驅(qū)動(dòng)模塊2、驅(qū)動(dòng)模塊3、驅(qū)動(dòng)模塊4相連接。驅(qū)動(dòng)邏輯控制電路根據(jù)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)和短路故障檢測(cè)電路的信號(hào)控制驅(qū)驅(qū)動(dòng)模塊1、驅(qū)動(dòng)模塊2、驅(qū)動(dòng)模塊3、驅(qū)動(dòng)模塊4；