[發明專利]一種用于碳化硅功率模塊的智能門級驅動器

在審

• 申請號: 202210394656.0
• 申請日: 2022-04-15
• 公開（公告）號: CN114759767A
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 曹文平;吉兵;胡存剛
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: H02M1/08
• 分類號: H02M1/08;H02M7/537;G01R31/00;G01R31/40;G01R31/42
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 江亞平

本發明公開一種用于碳化硅功率模塊的智能門級驅動器，屬于電力電子技術領域。該用于碳化硅功率模塊的智能數字門驅動器核心是基于受控電壓源的門級驅動器，該基于受控電壓源的門級驅動器根據模塊不同的工作狀態動態調節功率模塊的開關性能，其通過對其門級驅動電路的數字化和智能化的升級，實現對碳化硅功率模塊的動態和靜態性能達到精準和可編程控制的目的，從而提升了碳化硅功率模塊的開關性能和可靠性。

本發明要求在先申請ZL202110413616.1(公開號CN113131725A，申請日2021年4月16日)的優先權。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，具體涉及一種用于碳化硅功率模塊的智能門級驅動器。

背景技術

電動汽車主要分幾個部件：蓄電池，變換器，電機，電子控制單元(ECU)。這些對整車的性能及安全可靠性起著非常重要的作用。電動汽車是以電動機來驅動車輛前進的車輛。電動汽車的基本工作原理是由蓄電池或其他能夠產生電源或電能的裝置提供電流，通過電力電子變化器(DC-DC和DC-AC)將電池輸出端口的低壓直流電源變成能夠驅動電動機轉動的三相可變交流電源，并通過脈寬調制(PWM)技術來實現電動機轉速扭矩等輸出參數的控制，再通過動力傳動系統驅動汽車前進行駛。

在此能量轉換過程中，功率開關器件起著關鍵的控制作用，在很大程度上決定了系統的價格性能比，也是整個鏈條中最薄弱的一個環節。當前功率變換器所使用的半導體開關器件主要是基于硅材料的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。這些器件技術成熟，成本較高，故障率也相對較高，屬于易耗品。其工業應用的開關頻率普遍在20kHz以內。

近年來，隨著以碳化硅(SiC)等材料為代表的第三代半導體開關器件性能的改進和功率的提高，其性能更為優越，正在逐步滲透進電動汽車、新能源發電、儲能等領域。其開關頻率比傳統硅器件提高至少一個數量級(100kHz至MHz)，因此變換器的功率密度和性能可以大規模改進。同時由于它們很容易從硅技術中繼承現有的較為成熟的封裝和集成設計方法和控制策略，也加速了其迅速的發展，這在高成本效益要求應用中尤為突出。現有的功率器件驅動電路可以實現功率開關器件的導通和閉合，僅具有有限的溫度測量、過流保護、過熱保護，只有固定的軟關斷功能，門級電阻固定，但是不具備智能有源驅動功能。申請人將更為復雜、精準和可編程的芯片級控制功能加載到開關器件驅動電路中，使得開關器件實現了智能化。

本發明提出的技術有效地增加了門級驅動的控制功能，實現了對碳化硅功率半導體模塊在線可編程有源控制，從而達到對其開關波形的優化和塑形，以發揮其最佳的動態性能并實現對應力、損耗和電磁干擾的優化配置，可用于各類碳化硅產品的驅動電路。

發明內容

本發明要解決的技術問題為：碳化硅(SiC)金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)具有較高的開關頻率和低導通電阻等優異性能指標，但由于現有驅動電路功能的局限，碳化硅的優異性能在目前的實際工程應用中難以全部體現，限制了其進一步發展和應用。

作為傳統上的過度設計理念，降額被工程師在產品設計中廣泛采用，以限制現場作用在功率半導體器件上的應力(例如電、熱和機械)，以達到預期的安全系數和安全工作區(Safe Operating Area,SOA)，而這個需求對于以碳化硅為代表的寬禁帶半導體功率器件尤為突出。這主要是因為碳化硅器件極端快速的開關瞬態和與之相關的不利因素(例如，電流和電壓過沖、振鈴和電磁干擾)的影響，或者是因為其長期工作造成器件老化帶來的可靠性問題。例如，老化引起的性能退化可能導致器件在特定有危險的工況或異常操作條件(如過電流或短路)下的抵抗故障能力降低，從而使常規的保護功能失效而導致最終損壞。然而，這種傳統的降額做法是以犧牲功率半導體的生產力和相關的系統性能為代價，特別是考慮其在典型工況應用中需要應付的寬工作范圍和環境變量時。

針對上述的技術問題，本發明采用的技術方案為：