SiC MOSFET串扰电压的计算、寄生参数提取和驱动参数整定方法

摘要

本发明公开SiC MOSFET串扰电压的计算、寄生参数提取和驱动参数整定方法，属于宽禁带半导体器件驱动技术领域。本发明所构思的技术方案，简化了考虑共源电感的SiC MOSFET串扰电压模型，并将其与实际串扰电压抑制方法结合，通过优化求解的方法找到串扰电压抑制效果最好的驱动回路集中参数组合，大大减少了硬件调试阶段因反复更换元件进行双脉冲测试所消耗的时间与器件，提高硬件设计效率，简化参数整定流程。

说明书

技术领域

本发明属于宽禁带半导体器件驱动技术领域，更具体地，涉及SiC MOSFET串扰电压的计算、寄生参数提取和驱动参数整定方法。

背景技术

SiC MOSFET为第三代宽禁带半导体的代表性器件，因其高速开关能力、低导通损耗、高结温、高耐压等特点得到广泛应用。但由于SiC MOSFET作为动作器件高速切换，器件封装与设计限制引入的寄生参数流过高频信号，将在电路中引入较大阻抗，对器件特性有明显影响。在桥臂电路中，动作器件会在关断器件栅源极上引入串扰电压，串扰电压正向峰值可能导致功率器件误开通，导致桥臂直通；串扰电压负向峰值可能超过功率器件安全耐压，导致器件损坏。桥臂串扰问题是SiC MOSFET应用研究的热点和难点。

目前主要的串扰电压抑制方法是调整SiC MOSFET驱动回路中的集中参数大小，包括外部栅源极电容值与外部栅极电阻值。增大外部并联栅源极电容值可以有效抑制电压尖峰，但会增大开关管的动作时间，降低开关速度。由于驱动回路中共源电感的存在，外部栅极电阻值与串扰电压尖峰值并非单一相关性，单调增加或减小阻值可能会使串扰波形恶化。驱动回路集中参数的调整需要兼顾功率管内部栅漏电容的充放电位移电流与共源电感引入的感应电压，因而存在某一抑制串扰电压的最优解。现阶段已有一些SiC MOSFET串扰电压模型的研究，但其往往不考虑共源电感，或提出模型复杂、涉及较多参数、难以应用于工程实践，以致现阶段驱动回路集中参数尚没有直接整定方法，仍需要重复测试、多次调整，耗费时间与器件。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了SiC MOSFET串扰电压的计算、寄生参数提取和驱动参数整定方法，其目的在于利用简化串扰电压模型，解决现阶段SiCMOSFET驱动回路集中参数整定过程繁琐复杂且无理论指导的不足，直接通过优化求解得到串扰电压抑制效果最好的集中参数组合，节省调试时间与元件消耗。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种SiC MOSFET串扰电压的计算方法，计算公式如下：

其中，V

有益效果：本发明通过分析串扰电压产生原因并据此建立包含共源电感的简化受串扰驱动回路电路模型，最后由电路原理得到串扰电压数学表达式，由于综合考虑了串扰电压来源与电路寄生参数，从而实现了用简洁数学模型结合实际电路测量数据对串扰电压进行高效拟合的效果。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种SiC MOSFET驱动回路寄生参数的提取方法，所述SiC MOSFET串扰电压采用如第一方面所述的计算方法，该提取方法包括：

(S1)记录双脉冲测试过程中SiC MOSFET半桥双脉冲测试电路中受串扰管的漏源电压、源极电流与栅源电压、动作管的栅源电压；

(S2)从动作管关断阶段中选取受串扰管漏源电压开始下降时刻至下降到SiCMOSFET体二极管导通电压的时刻作为第四阶段，选取受串扰管漏源电压下降到SiC MOSFET体二极管导通电压的时刻至受串扰管源极电流下降到负向额定电流的时刻作为第五阶段；并计算各个阶段受串扰管的漏源电压变化率与源极电流变化率；

(S3)放大驱动回路外部栅源电容与外部栅极电阻，使得能够忽略内部栅源电容与内部栅极电阻值对串扰电压的影响，重复双脉冲测试并获取第四阶段的漏源电压变化率、源极电流变化率、栅源电压与第五阶段的栅源电压及其变化率、源极电流变化率，代入第一方面所述计算公式，提取寄生参数驱动回路共源电感和受串扰管内部栅漏电容；

(S4)缩小驱动回路外部栅源电容，使其能够体现内部栅源电容对串扰电压的影响，重复双脉冲测试并获取第四阶段或第五阶段的漏源电压变化率、源极电流变化率、栅源电压，将提取到的参数和寄生参数驱动回路共源电感和受串扰管内部栅漏电容，代入第一方面所述计算公式，计算寄生参数受串扰管内部栅源电容；

(S5)缩小驱动回路外部栅极电阻，使其能够体现内部栅极电阻值对串扰电压的影响，重复双脉冲测试并获取第四阶段或第五阶段的漏源电压变化率、源极电流变化率、栅源电压，将提取到的参数和寄生参数驱动回路共源电感和受串扰管内部栅漏电容，代入第一方面所述计算公式，计算寄生参数受串扰管内部栅极电阻。

有益效果：本发明在提出的串扰电压模型基础上进行延伸，巧妙利用受串扰管漏源电压与源极电流变化特点，只通过简单的双脉冲测试得到的数据便可获得驱动回路实际寄生参数值，且计算证明该方法获取的寄生参数值在进行串扰电压建模时具有较高拟合度。

优选地，步骤(S3)中，放大待整定驱动回路外部栅源电容与外部栅极电阻值，使其满足外部栅源电容值大于10倍的数据手册提供的内部栅源电容值、外部栅极电阻值大于10倍的数据手册提供内部栅极电阻值，寄生参数L

寄生参数C

有益效果：该计算公式为串扰电压模型忽略内部栅极电阻与内部栅源电容影响的变形，式中所有参数均为已知参数或可由双脉冲测试测量得到，相比现有寄生参数提取方法，本方法可以减少共源电感与SiC MOSFET内部栅漏电容提取所需步骤与数据，仅通过双脉冲测试数据便可获得当前SiC MOSFET应用环境下的实际寄生参数大小，并将其用于SiCMOSFET串扰电压建模等方面。

优选地，步骤(S4)中，缩小待整定驱动回路外部栅源电容值使其近似等于数据手册中内部栅源电容值，寄生参数C

有益效果：该计算公式为串扰电压模型忽略内部栅极电阻影响的变形，在已得共源电感、SiC MOSFET内部栅漏电容后，式中所有参数均为已知参数或可由双脉冲测试测量得到，相比现有寄生参数提取方法，本方法可以减少SiC MOSFET内部栅源电容提取所需步骤与数据，仅通过双脉冲测试数据便可获得当前SiC MOSFET应用环境下的实际寄生参数大小，并将其用于SiC MOSFET串扰电压建模等方面。

优选地，步骤(S5)中缩小待整定驱动回路外部栅极电阻值使其近似等于数据手册中内部栅极电阻值，寄生参数R

有益效果：该计算公式为串扰电压模型的变形，在已得共源电感、SiC MOSFET内部栅漏电容、栅源电容后，式中所有参数均为已知参数或可由双脉冲测试测量得到，相比现有寄生参数提取方法，本方法可以减少SiC MOSFET内部栅极电阻提取所需步骤与数据，仅通过双脉冲测试数据便可获得当前SiC MOSFET应用环境下的实际寄生参数大小，并将其用于SiC MOSFET串扰电压建模等方面。

为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种SiC MOSFET串扰抑制驱动参数整定方法，所述SiC MOSFET串扰电压采用第一方面所述的计算方法，该整定方法包括：

(T1)记录双脉冲测试过程中SiC MOSFET半桥双脉冲测试电路中受串扰管的漏源电压、源极电流与栅源电压、动作管的栅源电压；

(T2)将动作管开通阶段按照线性变化划分为多个子阶段，将动作管关断阶段中按照线性变化划分多个子阶段；并计算各个阶段受串扰管的漏源电压变化率与源极电流变化率；

(T3)提取寄生参数，包括SiC MOSFET管内部栅极电阻、内部栅漏电容、内部栅源电容、驱动回路共源电感；

(T4)将所有寄生参数和各个阶段受串扰管的漏源电压变化率与源极电流变化率代入第一方面所述计算公式，得到各阶段串扰电压关于待整定参数的表达式；

(T5)采用各阶段串扰电压关于待整定参数的表达式构建包含动作时间约束的串扰抑制目标函数，使得正向串扰电压峰值小于开通阈值，负向串扰电压峰值小于负向安全电压；

(T6)求解目标函数，最优解即为外部栅源电容与外部栅极电阻的整定结果。

有益效果：本发明对考虑共源电感影响的SiC MOSFET串扰电压进行分段建模，构造包含待设计外部栅极电阻与外部栅源电容的抑制串扰电压目标函数，通过优化求解的方法找到串扰电压抑制效果最好的驱动回路集中参数组合，大大减少了硬件调试阶段因反复更换元件进行双脉冲测试所消耗的时间与器件，提高硬件设计效率，简化参数整定流程。

优选地，步骤(T2)中，从动作管开通阶段中选取受串扰管源极电流开始上升时刻至受串扰管漏源电压开始上升时刻作为第一阶段，选取受串扰管漏源电压开始上升时刻至受串扰管漏源电压上升至直流母线电压作为第二阶段，选取受串扰管漏源电压从直流母线电压至上升至最大值作为第三阶段；从动作管关断阶段中选取受串扰管漏源电压开始下降时刻至下降到SiC MOSFET体二极管导通电压的时刻作为第四阶段，选取受串扰管漏源电压下降到SiC MOSFET体二极管导通电压的时刻至下降到受串扰管源极电流下降到负向额定电流的时刻作为第五阶段。

有益效果：对受串扰阶段的划分是为串扰电压的分段建模做准备，是寄生参数提取或驱动回路参数设计的必要环节。该受串扰阶段划分方法将复杂的桥臂串扰过程根据受串扰管漏源电压、源极电流变化特征分段线性划分，分离出串扰电压的主要影响因素，提高串扰电压表达式拟合精度。

优选地，步骤(T3)采取第二方面所述的提取方法。

有益效果：采用本发明提出的寄生参数设计方法，可以仅通过调整待设计驱动回路参数并进行双脉冲测试得到的数据，即可获取串扰电压表达式所需的寄生参数值，并且在电压拟合时具有较高拟合度，获得更好的参数设计效果。

优选地，步骤(T5)中，包含动作时间约束的串扰抑制目标函数为：

其中，

有益效果：采用本发明优选的串扰抑制目标函数，以开关过程中可能出现串扰电压峰值的各关键节点的串扰电压变化量为优化目标，使得在最优驱动回路参数下，受串扰管各阶段的串扰电压相对驱动关断电压的变化量综合考量最小。

为实现上述目的，按照本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个第一程序，所述一个或者多个第一程序被一个或者多个处理器执行，以实现如第二方面所述的SiC MOSFET驱动回路寄生参数的提取方法的步骤；或，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个第二程序，所述一个或者多个第二程序被一个或者多个处理器执行，以实现如第三方面所述的SiC MOSFET串扰抑制驱动参数整定方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

通过本发明所构思的以上技术方案，简化了考虑共源电感的SiC MOSFET串扰电压模型，并将其与实际串扰电压抑制方法结合，通过优化求解的方法找到串扰电压抑制效果最好的驱动回路集中参数组合，大大减少了硬件调试阶段因反复更换元件进行双脉冲测试所消耗的时间与器件，提高硬件设计效率，简化参数整定流程。

附图说明

图1是本发明实施例提供的考虑寄生参数的双脉冲测试电路；

图2是本发明实施例提供的动作器件开关过程的电压电流变化波形；

图3是本发明实施例提供的驱动回路等效电路图；

图4是本发明实施例提供的SiC MOSFET驱动回路驱动参数整定系统架构图；

图5是本发明实施例提供的仿真串扰电压波形与计算串扰电压波形对比图。

图6是本发明实施例提供的最优驱动回路集中参数与初始驱动回路集中参数受到的串扰电压对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，双脉冲测试电路是验证驱动性能与获取SiC MOSFET动态特性的常用电路。下标ex表示功率管外部；下标in表示功率管内部，内部所有器件参数不可调。

搭建半桥双脉冲测试电路，该测试电路包括：直流电压源、母线支撑电容、桥臂上SiC MOSFET管Q1、上管驱动回路、桥臂下SiC MOSFET管Q2、下管驱动电路、空心电感；直流电压源正极接桥臂上SiC MOSFET管Q1漏极，桥臂上SiC MOSFET管Q1源极与桥臂下SiC MOSFET管Q2漏极相连，桥臂下SiC MOSFET管Q2源极接至直流电压源负极，上管驱动回路、下管驱动电路分别连接至对应SiC MOSFET管的栅极与源极之间，母线支撑电容跨接至直流电压源正负极之间；空心电感并联至整定阶段选取的待整定驱动回路连接的SiC MOSFET管的源极与漏极两端。

从上管驱动回路和下管驱动回路中选取一个作为待整定驱动回路，则待整定驱动回路连接的SiC MOSFET管为受串扰管，另一个驱动回路为发波回路，则发波回路连接的SiCMOSFET管为动作管。

在半桥电路中，直流电压源输出SiC MOSFET工作时的额定电压，通过调整施加在测试管的两个开通脉冲的宽度与间隔，同时封锁并联电感负载的邻管，使测试管在第二个开通脉冲时达到额定工况。向待整定驱动回路施加恒关断驱动电压，同时向发波回路施加两个开通驱动电压脉冲，第一脉冲需满足在动作管的源极电流达到额定工况下电流大小时结束；第二脉冲需满足在动作管的漏源电压恢复至直流母线电压时开始。

本发明采用这种电路，获取SiC MOSFET在额定工况下动作的漏源电压波形、源极电流波形以及串扰电压波形，其中串扰电压波形是本发明的优化目标。回路中主要寄生参数有漏极电感L

功率管内部栅漏电容的充放电位移电流与共源电感引入的感应电压为串扰电压的产生原因。图2为半桥桥臂中上管动作器件的栅源电压V

(a)第一阶段(t

(b)第二阶段(t

(c)第三阶段(t

其关断过程主要有两个阶段影响串扰电压最值：

(d)第四阶段(t

(e)第五阶段(t

开通过程t

串扰电压的来源主要有两点：

(1)共源电感L

(2)栅漏电容C

为了建立串扰电压的定量分析数学模型，可以将下管驱动回路简化成如图3所示，其电压源、电流源正方向如图所示。依据基尔霍夫电压与电流定律，可以列写关于下管串扰电压V

其中

C

在所划分开关动作阶段内，下管漏源电压V

实际驱动回路中，因为前期PCB设计可以尽量减少驱动环路面积，所以驱动电感L

该一阶常微分方程易于求解，可得到下管串扰电压的表达式：

其中

C

V

串扰电压模型对实际串扰电压拟合的效果与方程中的寄生参数R

在上述说明的基础上，本发明实施例提供了一种SiC MOSFET驱动回路集中参数整定方法，包括：

(1)在功率器件额定运行工况及驱动回路初始参数下对半桥桥臂进行双脉冲测试，待优化受串扰驱动回路施加恒关断信号且对应的功率器件并联空心电感，获取受串扰管的漏源电压V

(2)采用寄生参数提取方法，利用动作管关断过程中受串扰管在各受串扰阶段的漏源电压变化率

(3)将步骤(2)提取的回路寄生参数与步骤(1)测量得到的各受串扰阶段的漏源电压变化率

(4)求解串扰电压优化问题，获取串扰电压抑制效果最优的驱动回路集中参数组合即外部栅源电容与外部栅极电阻的整定结果。

进一步地，所述步骤(1)中受串扰管漏源电压与源极电流变化特点，具体为：

开通过程主要包含三个受串扰阶段(a-c)，其特征为

(a)第一阶段：i

(b)第二阶段：i

(c)第三阶段：i

关断过程主要包含两个受串扰阶段(d-e)，其特征为

(d)第四阶段：V

(e)第五阶段：V

进一步，所述步骤(2)具体为：

(201)放大受串扰回路外部栅极电阻R

得到L

(202)缩小受串扰回路外部栅源电容C

(203)缩小受串扰回路外部栅极电阻R

进一步，所述步骤(3)包括：

(301)将步骤(2)提取的回路寄生参数与步骤(1)测量的各受串扰阶段关断器件的

(302)引入动作时间约束，限制驱动回路集中参数对开关动作时间的影响；

(303)根据串扰电压抑制目标，整合各阶段串扰电压方程与动作时间约束，获取串扰抑制目标函数。

进一步，所述步骤(301)的串扰电压连续原则，是指在计算a至e阶段串扰电压方程常数系数C

具体地，a至e阶段串扰电压方程V

其中

C

V

V

进一步，所述步骤(302)的动作时间约束，是指为防止优化求解算法盲区追求串扰抑制效果而放大C

优选地，动作时间约束包括：

开通过程：

t

t

t

关断过程：

t

t

t

其中，t

包含动作时间约束的串扰抑制目标函数优选为：

其中，

本发明实施例还提供了一种SiC MOSFET驱动回路驱动参数整定系统，系统框架与参数传递过程如图4所示，其系统单元包括：

寄生参数提取单元，在待优化串扰的运行环境下进行双脉冲测试，对功率管动作过程进行分段，并记录各受串扰阶段的漏源电压变化率与源极电流变化率；通过输入调整驱动回路外部集中参数并进行双脉冲测试得到的受串扰电压，计算提取回路中寄生参数大小，完善串扰电压方程；

目标函数获取单元，输入回路寄生参数提取结果与双脉冲测试得到的各受串扰阶段的漏源电压变化率与源极电流变化率，整合后得到各受串扰阶段的串扰电压方程；引入开关动作时间作为约束，根据串扰抑制需求得到抑制串扰电压的目标函数；

优化算法求解单元，采用可行的求解算法求解驱动回路集中参数包括外部栅源电容与外部栅极电阻关于串扰电压的最优化问题，输出在动作器件动作过程中，同桥臂关断管受到串扰电压最小的驱动回路集中参数整定结果。

具体每个单元的功能可参见前述方法实施例中的介绍，在此不再赘述。

为了更好地说明本发明，现举示例如下：

本实施例通过采用Simplorer特征化建模，提取数据手册中的关键参数，建立SiCMOSFET器件模型。仿真工作点设置为额定运行工况270V 30A、功率器件结温125℃；上下管驱动回路初始集中参数R

采用本发明提出的驱动回路寄生参数提取方法，通过调整驱动回路外部集中参数并进行双脉冲测试，对测试得到的关断过程中受串扰管的漏源电压变化率

表1

根据上文介绍的开关动作过程主要受串扰阶段漏源电压、源极电流变化特征，将双脉冲测试得到的受串扰管阶段划分结果整理成表2：

表2

在初始驱动回路集中参数下，通过双脉冲测试数据建立动作时间模型，动作时间模型相关参数如表3所示：

表3

为验证串扰电压方程拟合的可靠性，现利用已有参数拟合串扰电压，并将其与仿真得到的串扰电压波形进行对比，如图5所示。对比结果表明，串扰电压仿真的峰值和持续时间与模型计算结果基本相同，串扰电压最大值误差小于0.5V，具有较高可信度。

进一步整合各阶段串扰电压方程，得到驱动回路参数整定的目标函数：

本实施例中采用遗传算法进行求解，设置种群大小为500，计算迭代数为1000，函数容忍度设置为1e-6。求解的最优SiC MOSFET驱动回路集中参数组合为C

驱动回路最优参数与初始参数串扰电压对比如表4所示，现验证所得参数组合对串扰抑制效果为最优解：

表4

两种驱动回路集中参数下受到的串扰电压对比如图6所示，对比结果显示，串扰电压方程拟合效果与仿真效果接近，其计算结果可用于串扰电压预测；驱动回路采用最优参数组合时受到的串扰电压在各开关动作阶段内均小于采用初始参数组合时受到的串扰电压。可以验证，因为遗传算法求解的全局寻优能力，该参数组合下的目标函数值为最小值，即为达到当前串扰抑制目标的最优参数组合。

值得一提的是，本发明实施例使用的目标函数是抑制串扰的一般形式，即对每个开关阶段的最大串扰电压进行优化。该目标函数可以根据实际应用要求例如优化最大正向串扰电压或最大负向串扰电压，进行针对性的调整，以获得满足特定需求的驱动回路集中参数整定结果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。