一种宽禁带功率器件的多梯级驱动控制方法

技术领域

本发明一种宽禁带功率器件的多梯级驱动控制方法涉及的是控制方法，尤其是一种优化宽禁带功率器件开关性能的多梯级驱动控制方法。

背景技术

在硅基器件逐渐难以突破其物理局限时，宽禁带功率半导体器件应运而生。作为新型的第三代功率半导体器件，具有大功率、高压、高温、低开关损耗等优点。随着电网趋向特高压、大容量、远距离且具有智能性等方向的发展，对高性能电力电子装置的需求也越来越紧迫。宽禁带功率器件应用于电力系统高压大容量电力电子装置时，可以减少功率模块的级联数量，优化系统的拓扑结构，减小电力电子装置的占用空间，实现紧凑化结构设计，提高设备利用效率。

然而宽禁带功率器件由于高开关速度的特性，在开关过程中会产生电压电流尖峰和振荡严重等现象，这会影响器件的有效利用和电力设备的安全稳定性。主要问题在于，当前宽禁带功率器件的驱动方式仍然借鉴传统硅基器件的驱动形式，采用直接脉冲式触发，而未考虑新型器件的开关特点，进行符合器件本身的驱动设计。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种宽禁带功率器件的多梯级驱动控制方法，是一种结合宽禁带器件本身的开关特性，从驱动方式切入，提出符合新型器件的多梯级驱动控制方法；在宽禁带功率器件的开关过程中，进行多梯级驱动控制，进而改变器件的开关速度即di/dt和dv/dt的变化，从而提高其器件性能。

实现本发明宽禁带功率器件的多梯级驱动控制方法的多梯级驱动电压控制系统，包含MCU(微处理器)、多梯级电平器和功率放大器。该系统的运行逻辑关系为微处理器发出触发脉冲，对多梯级电平器中的梯级电压进行触发控制，然后将被触发的梯级电压送到功率放大器，对梯级电压进行功率放大后得到功率器件的栅极驱动电压。

所述多梯级驱动电压控制系统由功率器件端向其上游控制端逆向设计，首先根据所使用的SiCMOS管(宽禁带功率器件)器件的开关特性，确定采用梯级驱动电压的梯级数，然后对多梯级电平器进行设计；再根据设定的多梯级驱动电压幅值，对多梯级电平器中的电平电源进行相应设计。多梯级电平器中梯级电压的持续时间，无需在多梯级电平器中单独设计，其可以由微处理器对下一个触发脉冲信号的延时得到。微处理器发出触发脉冲对多梯级电平器中的电平进行触发控制，这需要对触发脉冲信号进行程序设计，给定脉冲信号的时序。

一种宽禁带功率器件的多梯级驱动控制方法，包括应用于器件开通过程的开通方法和应用于器件关断过程的关断方法。

所述开通方法包括如下步骤：

S1-1、在多梯级电平器中对多梯级驱动控制系统的梯级电压进行n次分级，分级后的梯级电压V

S1-2、在器件开通过程中，梯级电压的维持时间通过在微处理器中进行控制程序设定，延迟下一梯级电压的脉冲触发信号得到；

S1-3、对步骤S1-1中的漏极电流i

在步骤S1-1中，设定多梯级驱动电压控制系统中多梯级电平器的第一个梯级驱动电压V

在步骤S1-2中，梯级电压的维持时间在控制程序中的设定依据如公式(1)所示：

式中，τ＝R

所述关断方法包括如下步骤：

S2-1、在多梯级电平器中对多梯级驱动控制系统的梯级电压进行m次分级，梯级电压V

S2-2、在器件关断过程中，梯级电压的维持时间通过在微处理器中进行控制程序设定，延迟下一梯级电压的脉冲触发信号得到；

S2-3、对步骤S2-1中的漏源极电压V

在步骤S2-1中，设定多梯级驱动电压控制系统中多梯级电平器的第m个梯级驱动电压V

在步骤S2-2中，梯级电压的维持时间在控制程序中的设定依据如公式(2)所示。

式中，V

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明能够结合宽禁带功率器件具有高速开关过程的特性，以驱动控制为切入点，进行符合器件自身开关特点的驱动控制设计，实现器件开关速度的可调节，降低器件保护的设计难度，提升器件工作安全区的利用。

2、本发明通过在宽禁带功率器件的开通和关断过程中，采取多梯级驱动控制方法，能够有效降低器件开关过程中，电压电流尖峰，减轻电压电流的振荡现象，提高器件利用的安全性能，进而提升了高压大容量电力电子装置的安全性。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步说明：

图1是实现本发明控制方法的多梯级驱动电压控制系统实施例图；

图2是本发明控制方法的工作原理图；

图3是本发明控制方法与常规驱动开关过程对比示意图；

图4是两梯级驱动与常规驱动开关过程电压电流的对比波形图。

具体实施方式

下面结合附图1～4和具体实施例对本发明做详细说明。

实现本发明宽禁带功率器件的多梯级驱动控制方法的多梯级驱动电压控制系统，包含MCU(微处理器)、多梯级电平器和功率放大器。在微处理器中进行控制程序设定，产生触发梯级电压的脉冲信号；并传送到多梯级电平器，通过在多梯级电平器中预设多梯级驱动电压，接收到触发脉冲信号时能够正确选取梯级驱动电压；功率放大器对被触发的梯级驱动电压进行功率放大，得到功率器件的栅极驱动电压。

如图1中的MCU(微处理器)提供驱动电压的脉冲信号。V

图2是本发明控制方法的多梯级驱动的工作原理图，其中U

图3是本发明控制方法的多梯级驱动与常规驱动开关过程对比示意图。图3(a)中i

图4中，分别是常规驱动时器件的电压电流波形，以及本发明采用两梯级驱动时器件的电压电流波形。从电压电流波形对比中可以看出，采用梯级驱动控制方法，能够有效改善器件的开关性能。

具体实施例：

功率器件的开关过程，本质上是不同极间电容的充放电过程，而电容两端电压差的变化则是影响其充放电快慢的关键因素，本发明正是利用电容的这一特性进行设计的。

下面以CAS300M17BM2型SiCMOSFET半桥模块器件为例进行两梯级驱动电压控制实施例的说明。在该器件的开关过程中，对其驱动电压进行两梯级设计。触发信号由MCU(微处理器)发出，对两梯级电平器中的电压进行选择触发。该电压包含两个要素，分别是其电压幅值和该电压的维持时间。

在开通过程中，梯级电压要大于器件的阈值电压V

在关断过程中，梯级电压要小于器件的米勒平台电压V

表1两梯级驱动与常规驱动开通过程参数对比

表2两梯级驱动与常规驱动关断过程参数对比

表1和表2分别是采用两梯级驱动与常规驱动开关过程参数的对比结果。表1中I

综合表1和表2的对比结果以及图4中的电压电流对比波形可以看出，多梯级驱动控制方法能够有效控制宽禁带功率器件的开关速度，降低器件的保护设计要求，提升器件的安全使用性能。