[发明专利]一种用于碳化硅功率模块的智能门级驱动器

说明书

本发明公开一种用于碳化硅功率模块的智能门级驱动器，属于电力电子技术领域。该用于碳化硅功率模块的智能数字门驱动器核心是基于受控电压源的门级驱动器，该基于受控电压源的门级驱动器根据模块不同的工作状态动态调节功率模块的开关性能，其通过对其门级驱动电路的数字化和智能化的升级，实现对碳化硅功率模块的动态和静态性能达到精准和可编程控制的目的，从而提升了碳化硅功率模块的开关性能和可靠性。

本发明要求在先申请ZL202110413616.1(公开号CN113131725A，申请日2021年4月16日)的优先权。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种用于碳化硅功率模块的智能门级驱动器。

背景技术

电动汽车主要分几个部件：蓄电池，变换器，电机，电子控制单元(ECU)。这些对整车的性能及安全可靠性起着非常重要的作用。电动汽车是以电动机来驱动车辆前进的车辆。电动汽车的基本工作原理是由蓄电池或其他能够产生电源或电能的装置提供电流，通过电力电子变化器(DC-DC和DC-AC)将电池输出端口的低压直流电源变成能够驱动电动机转动的三相可变交流电源，并通过脉宽调制(PWM)技术来实现电动机转速扭矩等输出参数的控制，再通过动力传动系统驱动汽车前进行驶。

在此能量转换过程中，功率开关器件起着关键的控制作用，在很大程度上决定了系统的价格性能比，也是整个链条中最薄弱的一个环节。当前功率变换器所使用的半导体开关器件主要是基于硅材料的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这些器件技术成熟，成本较高，故障率也相对较高，属于易耗品。其工业应用的开关频率普遍在20kHz以内。

近年来，随着以碳化硅(SiC)等材料为代表的第三代半导体开关器件性能的改进和功率的提高，其性能更为优越，正在逐步渗透进电动汽车、新能源发电、储能等领域。其开关频率比传统硅器件提高至少一个数量级(100kHz至MHz)，因此变换器的功率密度和性能可以大规模改进。同时由于它们很容易从硅技术中继承现有的较为成熟的封装和集成设计方法和控制策略，也加速了其迅速的发展，这在高成本效益要求应用中尤为突出。现有的功率器件驱动电路可以实现功率开关器件的导通和闭合，仅具有有限的温度测量、过流保护、过热保护，只有固定的软关断功能，门级电阻固定，但是不具备智能有源驱动功能。申请人将更为复杂、精准和可编程的芯片级控制功能加载到开关器件驱动电路中，使得开关器件实现了智能化。

本发明提出的技术有效地增加了门级驱动的控制功能，实现了对碳化硅功率半导体模块在线可编程有源控制，从而达到对其开关波形的优化和塑形，以发挥其最佳的动态性能并实现对应力、损耗和电磁干扰的优化配置，可用于各类碳化硅产品的驱动电路。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)具有较高的开关频率和低导通电阻等优异性能指标，但由于现有驱动电路功能的局限，碳化硅的优异性能在目前的实际工程应用中难以全部体现，限制了其进一步发展和应用。

作为传统上的过度设计理念，降额被工程师在产品设计中广泛采用，以限制现场作用在功率半导体器件上的应力(例如电、热和机械)，以达到预期的安全系数和安全工作区(Safe Operating Area,SOA)，而这个需求对于以碳化硅为代表的宽禁带半导体功率器件尤为突出。这主要是因为碳化硅器件极端快速的开关瞬态和与之相关的不利因素(例如，电流和电压过冲、振铃和电磁干扰)的影响，或者是因为其长期工作造成器件老化带来的可靠性问题。例如，老化引起的性能退化可能导致器件在特定有危险的工况或异常操作条件(如过电流或短路)下的抵抗故障能力降低，从而使常规的保护功能失效而导致最终损坏。然而，这种传统的降额做法是以牺牲功率半导体的生产力和相关的系统性能为代价，特别是考虑其在典型工况应用中需要应付的宽工作范围和环境变量时。

针对上述的技术问题，本发明采用的技术方案为：