CN108432137A - 超高性能碳化硅栅极驱动器 - Google Patents

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M.J.舒滕
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Abstract

一种系统包括：SiC半导体功率装置；电力供应器板，其被配置成经由连接器向第一栅极驱动器板提供功率；所述第一栅极驱动器板，其被耦合且配置成向所述SiC半导体功率装置提供电流，其中所述第一栅极驱动器电路板经由所述连接器耦合到所述电力供应器板，且其中所述第一栅极驱动器板与所述电力供应器板分离；以及互连板，其耦合到所述第一栅极驱动器板，其中所述互连板被配置成将所述第一栅极驱动器板耦合到第二栅极驱动器板。

Description

超高性能碳化硅栅极驱动器
背景技术
本说明书中所公开的主题涉及碳化硅(silicon carbide，SiC)半导体功率装置，且更具体地说，涉及降低SiC半导体功率装置(semiconductor power device)的栅极驱动器(gate driver)中的电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)噪声。
由于其优良性能，SiC半导体功率装置可用于半导体应用中。特别地，SiC半导体功率装置维持更高的电压，携载更高的电流，在更高的温度下且以更高的导热率操作，切换起来更快，并展现出更高的能带隙(与硅半导体装置相比时)。这些益处使得SiC半导体功率装置能够具有更小的电路占据面积和更高的效率。但是，含有SiC半导体功率装置的电路的紧密型设计更易受电磁干扰(EMI)噪声影响。
发明内容
在下文概述在范围方面与原始所要求发明相称的某些实施例。这些实施例并不希望限制所要求发明的范围，而是这些实施例仅希望提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可涵盖可类似于或不同于下文阐述的实施例的多种形式。
第一实施例包括一种包括一个或多个碳化硅半导体功率装置的系统。所述系统还包括被配置成经由连接器向第一栅极驱动器电路板提供功率的电力供应器电路板(powersupply circuit board)，其中所述电力供应器电路板包括隔离变压器(isolationtransformer)。所述系统进一步包括所述第一栅极驱动器电路板，其耦合到所述一个或多个碳化硅半导体功率装置且被配置成提供电流来驱动所述一个或多个碳化硅半导体功率装置的一个或多个栅极(gates)，其中所述第一栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径经由所述连接器耦合到所述电力供应器电路板的一个或多个信号路径，且其中所述第一栅极驱动器电路板与所述电力供应器电路板分离。所述系统还包括耦合到所述第一栅极驱动器电路板的互连电路板，其中所述互连电路板被配置成将所述第一栅极驱动器电路板的所述一个或多个信号路径耦合到第二栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径。
第二实施例包括一种包括一个或多个碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistors)的系统。所述系统还包括用以向第一栅极驱动器电路板提供功率的电力供应器电路板，其中所述电力供应器电路板包括设置于铜层上的跟踪层(tracing layer)。所述系统进一步包括所述第一栅极驱动器电路板，其耦合到所述一个或多个碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管，其中所述第一栅极驱动器电路板被配置成提供电流以驱动所述一个或多个碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的一个或多个栅极，其中所述第一栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径耦合到所述第一电力供应器电路板的一个或多个信号路径，其中所述第一栅极驱动器电路板与所述第一电力供应器电路板分离，且其中所述第一栅极驱动器电路板包括设置于铜层上的跟踪层。所述系统还包括耦合到所述第一栅极驱动器电路板的互连电路板，其中所述互连电路板被配置成将所述第一栅极驱动器电路板的所述一个或多个信号路径耦合到第二栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径，其中所述互连电路板包括设置于铜层上的跟踪层，且其中所述第二栅极驱动器电路板包括设置于铜层上的跟踪层。
第三实施例包括一种方法，其包括将第一栅极驱动器电路板和第二栅极驱动器电路板耦合到互连电路板，其中所述第一栅极驱动器电路板和所述第二栅极驱动器电路板被配置成提供电流来驱动所述一个或多个碳化硅半导体功率装置的一个或多个栅极，且其中所述互连电路板被配置成将所述第一栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径耦合到第二栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径。所述方法还包括：经由第一组连接器将第一电力供应器电路板耦合到所述第一栅极驱动器电路板，其中所述第一组连接器中的每个连接器包括设置于所述第一电力供应器电路板上的第一部分和设置于所述第一栅极驱动器电路板上的第二部分。所述方法进一步包括：经由所述第一组连接器将功率从所述第一电力供应器电路板的一个或多个电力供应器提供给所述第一栅极驱动器电路板。所述方法还包括：经由所述第一组连接器和所述互连电路板将功率从所述第一电力供应器电路板的所述一个或多个电力供应器提供给所述第二栅极驱动器电路板。所述方法进一步包括：将所述第一电力供应器电路板从所述第一栅极驱动器电路板解耦。所述方法还包括：经由第二组连接器将第二电力供应器电路板耦合到所述第一栅极驱动器电路板，其中所述第二组连接器中的每个连接器包括设置于所述第二电力供应器电路板上的第三部分和设置于所述第一栅极驱动器电路板上的所述第二部分。所述方法进一步包括：经由所述第二组连接器将功率从所述第二电力供应器电路板的一个或多个电力供应器提供给所述第一栅极驱动器电路板。所述方法还包括：经由所述第二组连接器和所述互连电路板将功率从所述第二电力供应器电路板的所述一个或多个电力供应器提供给所述第二栅极驱动器电路板。
第四实施例包括一种包括第一组碳化硅半导体功率装置的系统。所述系统还包括第二组碳化硅半导体功率装置。所述系统进一步包括：被配置成向第一栅极驱动器电路板提供功率的第一电力供应器电路板。所述系统还包括：被配置成向第二栅极驱动器电路板提供功率的第二电力供应器电路板。所述系统进一步包括：所述第一栅极驱动器电路板，其耦合到所述第一组一个或多个碳化硅半导体功率装置、且被配置成提供电流来驱动所述第一组一个或多个碳化硅半导体功率装置的一个或多个栅极，其中所述第一栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径耦合到所述第一电力供应器电路板的一个或多个信号路径，且其中所述第一栅极驱动器电路板与所述第一电力供应器电路板分离。所述系统还包括：所述第二栅极驱动器电路板，其耦合到所述第二组碳化硅半导体功率装置、且被配置成提供电流来驱动所述第二组碳化硅半导体功率装置的一个或多个栅极，其中所述第二栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径耦合到所述第二电力供应器电路板的一个或多个信号路径，且其中所述第二栅极驱动器电路板与所述第二电力供应器电路板分离。所述系统还包括控制器，所述控制器包括一个或多个处理器，其中所述控制器耦合到所述第一电力供应器电路板和所述第二电力供应器电路板，其中所述一个或多个处理器被配置成控制由所述第一电力供应器电路板和所述第二电力供应器电路板提供的总功率。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将得到更好的理解，其中在整个附图中相同的标号表示相同的部分，其中：
图1是根据本发明的实施例的用以与碳化硅半导体功率装置一起使用的模块化系统的框图；
图2是根据本发明的实施例的用于与碳化硅半导体功率装置一起使用的模块化系统的示意图；
图3是根据本发明的实施例的设计成绕过共模噪声的去饱和电路系统的示意图；
图4是根据本发明的实施例的电力供应器板、栅极驱动器板、互连板的布置的示意图；
图5是根据本发明的实施例的电力供应器板和栅极驱动器板的布置的示意图；
图6是根据本发明的实施例的电力供应器板、栅极驱动器板和互连板的布置的示意图；
图7是根据本发明的实施例的电路板的分解视图；且
图8是根据本发明的实施例的用于使用用于为碳化硅半导体功率装置并将其驱动的模块化电路板来降低电磁干扰噪声的方法的流程图。
具体实施方式
将在下文描述本发明的一个或多个具体实施例。在努力提供这些实施例的简明描述的过程中，实际实施方案的所有特征可能并不都在说明书中进行描述。应了解，在任何此类实际实施方案的发展中，如同在任何工程或设计项目中，制定众多的实施方案特定决策以实现研发者的特定目标，例如与系统相关和企业相关约束的一致性，这可能从一个实施方案到另一实施方案有所变化。此外，应了解，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但对于受益于本发明的所属领域的技术人员来说，这些都是设计、制造和生产中的常规任务。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示这些元件中的一个或多个。术语“包括(comprising和including)”和“具有”意图是包括性的并意味着可能存在除了所列元件之外的额外元件。
碳化硅(SiC)半导体功率装置可通过使用栅极驱动器电路来与逻辑单元介接。栅极驱动器是接受低功率输入并产生高电流输出来驱动SiC半导体功率装置的栅电容(gatecapacitance)的功率放大器。邻近或接近SiC半导体功率装置而定位栅极驱动器最小化系统复杂度，并使得栅极驱动器能够高速切换SiC半导体功率装置。但是，SiC半导体功率装置由栅极驱动器快速切换可引起电压和电流的急剧转换，从而又产生更高的电磁干扰(EMI)噪声。在一个或多个电路板上共享空间的栅极驱动器与SiC半导体功率装置的电力供应部件的极为接近(close proximity)使由栅极驱动器产生的EMI噪声复杂化，并阻碍SiC半导体功率装置的性能。将有利的是降低由栅极驱动器产生的EMI噪声而不减缓转换时间。
本发明包括用于栅极驱动器电路板、电力供应器电路板和互连电路板的模块化布局的系统和方法，其中模块化系统被设计成提供栅极驱动器电路板与电力供应器板之间的分离以降低EMI噪声，且其中由于模块化布局，可易于替换每个电路板。本发明还包括包括降低共模噪声(common mode noise)的电路系统和降低EMI噪声的电路板的跟踪层的实施例。
现转而参看图1，说明了根据本发明的实施例的用于与SiC半导体功率装置一起使用的模块化系统10的框图。SiC半导体功率装置可以是如由12说明的SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)或任何其它SiC半导体功率装置。SiC MOSFET 12可被设计成处置重要的功率电平并以极高速切换。当相比于硅半导体功率装置时，MOSFET能够维持更高的电压，携载更高的电流，在更高的温度下操作，展现更高的导热率，切换起来更快并展现出更高的能带隙。
模块化系统10还包括可向一个或多个栅极驱动器板16提供功率的一个或多个电力供应器板14。特别地，电力供应器板14可从电力供应器板14的一个或多个电力供应器产生功率，将其转换或传送到栅极驱动器板16。在一些实施例中，电力供应器板14可隔离栅极驱动器板16和/或SiC MOSFET 12与另一电源。电力供应器板14还可包括一个或多个隔离变压器以提供电流隔离并保护栅极驱动器板16和/或SiC MOSFET 12。隔离变压器可进一步抑制从电源产生的EMI噪声。在一些实施例中，电力供应器板14还可耦合到SiC MOSFET12。
模块化系统10还包括可接受低功率输入并产生高电流驱动输入的一个或多个栅极驱动器板16。栅极驱动器板16可包括放大SiCMOSFET 12的栅极的输入功率的一个或多个栅极驱动器集成电路或芯片17。特别地，栅极驱动器板16的每个栅极驱动器集成电路17可耦合到一个或多个SiC MOSFET 12。
栅极驱动器板16可经由一个或多个连接器18耦合到电力供应器板14。连接器18可将栅极驱动器板16的一个或多个信号路径设置到电力供应器板14的一个或多个信号路径。举例来说，一个或多个信号路径可传递可包括故障信号、命令信号、正供应电压信号、负供应电压信号、接地信号等等的信号。连接器18可被配置成实现将电力供应器板14插入到栅极驱动器板16中和从栅极驱动器板16拔掉电力供应器板14来易于替换。
模块化系统10包括可提供多个栅极驱动器板16之间的连接的互连板20。特别地，互连板20可经由连接器18和栅极驱动器板16提供电力供应器板14之间的连接，使得由多个电力供应器板14的一个或多个电力供应器供应的电力可组合并由模块化系统10使用。此外，每个电力供应器板14的一个或多个电力供应器可按某些切换频率操作。组合由多个电力供应器板14的一个或多个电力供应器供应的功率可实现比可由每个电力供应器板14的一个或多个电力供应器单独实现更高的开关频率。互连板20可实现将栅极驱动器板16插入到互连板20中和从互连板20拔掉栅极驱动器板16，以为了易于替换。
牢记前述内容，图2是根据本发明的实施例的用于与SiC半导体功率装置一起使用的模块化系统30的示意图。特别地，SiC半导体功率装置可以是SiC MOSFET 12。
模块化系统30包括一个或多个电力供应器板14。电力供应器板14可从电源接收电力。电力供应器板14可包括一个或多个隔离变压器36，隔离变压器36可将栅极驱动器板16的一个或多个栅极驱动器集成电路17和/或一个或多个SiC MOSFET 12与一个或多个电力供应器15隔离开来。举例来说，隔离变压器36可提供电流隔离(galvanic isolation)，并保护一个或多个栅极驱动器集成电路17和/或SiC MOSFET 12免于电击。隔离变压器36可进一步抑制从一个或多个SiC MOSFET 12产生的传播到一个或多个电力供应器15或系统30的其余部分的EMI噪声。在一些实施例中，电力供应器板14可将来自一个或多个电力供应器15的输入功率提供给SiC MOSFET 12。
模块化系统30包括一个或多个栅极驱动器板16。到栅极驱动器板16的输入可接收低功率信号。特别地，低功率信号可由经由一个或多个连接器18耦合到栅极驱动器板16的电力供应器板14的一个或多个电力供应器15提供。一个或多个栅极驱动器集成电路17可放大低功率信号。一个或多个栅极驱动器集成电路17可将经放大(例如高电流)信号输出到一个或多个SiC MOSFET 12(例如SiC MOSFET 12的栅极)。
栅极驱动器板16可经由一个或多个连接器18耦合到电力供应器板14。连接器18可将栅极驱动器板16的一个或多个信号路径耦合到电力供应器板14的一个或多个信号路径。连接器18可包括凸-凹连接件，使得连接器18的凸连接件44可定位于电力供应器板14上、且连接器18的凹连接件46可定位于栅极驱动器板16上，或反之亦然。连接器18的凸连接件44的凹连接件46可被配置成实现将电力供应器板14的凸连接件44插入到栅极驱动器板16的凹连接件46中、和从凹连接件46拔掉凸连接件44，来易于替换。连接器18可使得电力供应器板14能够向栅极驱动器板16提供输入功率。特别地，电力供应器板14的凸连接件44可接收隔离变压器36的输出作为输入。当连接到凹连接件46时，隔离变压器36的输出可作为输入提供给栅极驱动器板16的栅极驱动器集成电路17。如图2中所描绘，每个电力供应器板14包括耦合到凸连接件44的两个电力供应器15。每个凸连接件44可耦合到栅极驱动器板16的凹连接件46，凹连接件46又耦合到栅极驱动器板16的栅极驱动器集成电路17。以此方式，每个电力供应器15可经由每个连接器18向每个栅极驱动器集成电路17供电。
模块化系统30包括可提供多个栅极驱动器板16之间的连接的互连板20。特别地，互连板20可耦合第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径与第二栅极驱动器板16的一个或多个信号路径。特别地，互连板20可经由连接器18和栅极驱动器板16提供电力供应器板14之间的连接，使得由多个电力供应器板14的一个或多个电力供应器供应的功率可组合、并由模块化系统10使用。此外，每个电力供应器板14的一个或多个电力供应器可按某些切换频率操作。组合由多个电力供应器板14的一个或多个电力供应器供应的功率可比可由每个电力供应器板14的一个或多个电力供应器单独实现更高的开关频率。互连板20可实现将栅极驱动器板16插入到互连板20中和从互连板20拔掉栅极驱动器板16，以易于替换。
在一些实施例中，电力供应器板14、栅极驱动器板16和/或互连板20的电路迹线(circuit trace)(例如路径)可易受EMI噪声，尤其是共模噪声影响。共模噪声(commonmode noise)是在两个信号引线(即，信号和电路回流，或测量电路和接地的终端)上出现的噪声。特别地，由于切换SiC半导体功率装置，栅极驱动器板16可对共模噪声敏感。举例来说，当接通SiC MOSFET 12时，可产生共模噪声。此共模噪声可影响栅极驱动器板17的栅极驱动器集成电路17的正常操作。图3是根据本发明的实施例的设计成绕过共模噪声的去饱和电路系统(desaturation circuitry)48的示意图。通过利用类似电路部件，去饱和电路系统48包括类似信号路径。类似信号路径可降低由切换SiC MOSFET 12，例如由引导信号穿过类似信号路径，产生的共模噪声。在一些实施例中，可在去饱和电路系统的类似信号路径中使用一个或多个电阻器50、二极管51和/或电容器52。以此方式，可降低由切换SiCMOSFET 12产生的共模噪声，并可防止致使所述共模噪声对包括去饱和电路系统48的电路迹线发生故障。
在一些实施例中，模块化系统30的布局可引起信号时序问题。特别地，使用电力供应器板14、栅极驱动器板16和互连板20可包括使用更多逻辑与门(more logic andgates)，从而在在输入信号行进穿过模块化系统30时传播输入信号的过程中产生延迟。为了解决延迟，模块化系统30可将输入信号和/或其它信号修改成匹配传播延迟。在一些实施例中，互连板20可被设计成将输入信号修改成匹配传播延迟。在替代性实施例中，栅极驱动器板16的供应电压可被调整成匹配传播延迟。
牢记前述内容，图4是根据本发明的实施例的电力供应器板14、栅极驱动器板16、互连板20的布置53的示意图。互连板20可包括一个或多个连接点59，连接点59可被配置成使得栅极驱动器板16的一个或多个输入38能够耦合，以易于替换。在一些实施例中，互连板20的连接点59是凹连接件(例如插座)，而栅极驱动器板16的输入38是凸连接件(例如插头)。如所说明，栅极驱动器板16的输入38可设置于栅极驱动器板16的边缘上。因此，栅极驱动器板16可在大致正交(即，大致90°)定向上耦合到互连板20。互连板20可提供多个栅极驱动器板16之间的连接。特别地，互连板20可耦合第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径与第二栅极驱动器板16的一个或多个信号路径。如所描绘，互连板20为三个栅极驱动器板16提供连接。在一些实施例中，互连板20为任何数目个栅极驱动器板(例如2个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个栅极驱动器板)提供连接。
电力供应器板14可经由一个或多个连接器18耦合到栅极驱动器板16。连接器18可将栅极驱动器板16的一个或多个信号路径耦合到电力供应器板14的一个或多个信号路径。连接器18可包括凸-凹连接件，使得连接器18的凸连接件44可定位于电力供应器板14上、且连接器18的凹连接件46可定位于栅极驱动器板16上。连接器18可被配置成使得电力供应器板14的一个或多个电力供应器15能够向栅极驱动器板16的一个或多个栅极驱动器集成电路17提供输入功率。由于连接器18的设计和位置，当电力供应器板14与栅极驱动器板16经由连接器18彼此耦合时，电力供应器板14可大致平行于栅极驱动器板16而定向。使得电力供应器板14与栅极驱动器板16能够以此方式“堆叠”可产生紧密且有效率的配置，同时维持电力供应器板14与栅极驱动器板16之间的分离以便降低EMI噪声。如所描绘，连接到互连板20的三个栅极驱动器板16中的每一个通过连接器18连接到电力供应器板14。因而，栅极驱动器板16的每个栅极驱动器集成电路12可由电力供应器板14的一个或多个电力供应器15供电。
在一些实施例中，软件程序或指令，而非互连板20，可用以发送控制信号来控制电力供应器板14，且更具体地说，控制由电力供应器板14供应的功率和供应的功率的频率。举例来说，图5是根据本发明的实施例的电力供应器板14和栅极驱动器板16的布置54的示意图。控制器55可以通信方式耦合到每个栅极驱动器板16(例如经由栅极驱动器板16的一个或多个输入38)。控制器可包括一个或多个处理器56和存储器57。处理器56和/或其它数据处理电路系统可以可操作方式与存储器57耦合以执行指令。由处理器56执行的此类程序或指令可存储于任何合适的制品中，所述制品包括至少一起存储指令或例程的一个或多个有形、非暂时性机器可读媒体，例如存储器57。存储器57可包括用于存储数据和可执行机器可读指令的任何合适制品，例如RAM、ROM、可重写快闪存储器、硬盘驱动器和光碟。而且，此计算机程序产品上编码的程序(例如操作系统)还可包括可由处理器56执行的指令。在一些实施例中，控制器55可仅以通信方式耦合到每个栅极驱动器板。
在一些实施例中，控制器55发送控制信号来控制每个电力供应器板14(经由一个或多个输入38和一个或多个连接器18)，以仅向电力供应器板14耦合到的栅极驱动器板16供电。在一些实施例中，控制器55发送控制信号来控制每个电力供应器板14，以组合、增强和/或分摊(apportion)所供应的功率、和/或从以通信方式耦合到控制器55的所有电力供应器板14供应功率的频率。举例来说，控制器55可发送控制信号来按期望频率将由连接到以通信方式耦合到控制器55的栅极驱动器板16的所有电力供应器板14供应的总功率的部分引导到以通信方式耦合到控制器55的一个或多个目标栅极驱动器板16。在一些实施例中，控制器55可替代地是定位于电力供应器板14上的一个或多个控制器。
因为互连板20可耦合第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径与第二栅极驱动器板16的一个或多个信号路径，所以连接器18可使得电力供应器板14的一个或多个电力供应器15能够不仅向第一栅极驱动器板16而且向第二栅极驱动器板16提供输入功率。如图6中所描绘的布置58的示意图中所示出，具有两个电力供应器15的单电力供应器板14耦合到栅极驱动器板16，栅极驱动器板16耦合到互连板20。互连板20还耦合到两个其它栅极驱动器板16。单个电力供应器板14的两个电力供应器15可为耦合到互连板20的所有三个栅极驱动器板16供电。有利地，当电力供应器板14发生故障时，可避免替换包括电力供应器部件和栅极驱动器部件的昂贵且复杂的电路板。替代地，可仅拔掉电力供应器板14并加以替换。在一些实施例中，过剩的电力供应器板14可耦合到耦合到互连板20的栅极驱动器板16，使得当电力供应器板14的一个或多个电力供应器15出故障时，保持耦合到互连板20的其它电力供应器板14的其它电力供应器15中的一个或多个可向耦合到互连板20的一个或多个栅极驱动器板16提供功率。
现转而参看图7，说明了根据本发明的实施例的电路板60的分解视图。举例来说，电路板60可说明电力供应器板14、栅极驱动器板16或互连板20的实施例。电路板60可包括多个层，包括一个或多个跟踪层62、64、66。跟踪层(例如62)包括被设计成使电信号行进的导电迹线(conductive traces)(即，路径)。可基于电路板60的用途(例如用作电力供应器板14、栅极驱动器板16或互连板20)而设计导电迹线。在每个跟踪层62、64、66下可以是铜层68、70、72。当电信号(例如跟踪层62中的电信号)接近铜层(例如68)行进时，涡电流可产生于铜层68中。涡电流可产生防止从邻近电信号产生的EMI噪声穿透铜层68的磁场。因此，铜层68可屏蔽EMI噪声、控制阻抗并提供较快的信号行进和性能。以相同方式，铜层68、70、72可屏蔽跟踪层62、64、66免于从其它来源产生的EMI噪声，其它来源所述SiC MOSFET 12、其它电力供应器板14、栅极驱动器板16、互连板20等等。
现转而参看图8，说明了根据本发明的实施例的用于使用用于为碳化硅半导体功率装置并将其驱动的模块化电路板来降低EMI噪声的方法80的流程图。将第一栅极驱动器板16和第二栅极驱动器板16各自耦合(框82)到互连板20。第一栅极驱动器板16和第二栅极驱动器板16可各自包括提供电流来驱动碳化硅半导体功率装置(例如SiC MOSFET 12)的栅极的一个或多个栅极驱动器集成电路17。栅极驱动器集成电路17可放大低功率输入以便输出高电流来驱动SiC MOSFET 12的栅电容。互连板20可被配置成经由一个或多个电路迹线将第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径耦合到第二栅极驱动器板16的一个或多个信号路径。互连板20可实现将栅极驱动器板16插入到互连板20中和从互连板20拔掉栅极驱动器板16，以易于替换。
将第一电力供应器板14耦合(框84)到第一栅极驱动器板16。第一电力供应器板14可从一个或多个电力供应器15产生功率、将其转换或传送到第一栅极驱动器板16。第一栅极驱动器板16可接着将来自第一电力供应器板14的功率传送到一个或多个SiC MOSFET12。第一电力供应器板14可经由第一组连接器18耦合到第一栅极驱动器板16。第一组连接器18可将第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径耦合到第一电力供应器板14的一个或多个信号路径。第一组连接器中的每个连接器18可包括可定位于第一电力供应器板14上的第一部分(例如凸连接件44)和可定位于第一栅极驱动器板16上的第二部分(例如凹连接件46)(或反之亦然)。连接器18的第一部分44和第二部分46可被配置成实现将连接器18的第一部分44插入到第二部分46中和从第二部分46拔掉第一部分44，以易于替换。第一组连接器18可使得第一电力供应器板14的一个或多个电力供应器15能够向第一栅极驱动器板16的一个或多个栅极驱动器集成电路17提供输入功率。在一些实施例中，第一电力供应器板14包括一个或多个隔离变压器36。举例来说，第一电力供应器板14可使用一个或多个隔离变压器36以提供电流隔离并保护第一栅极驱动器板16、第二栅极驱动器板16和/或一个或多个SiC MOSFET 12。隔离变压器36可进一步抑制从一个或多个SiC MOSFET 12产生的传播到一个或多个电力供应器15或系统30的其余部分的EMI噪声。
第一电力供应器板14的一个或多个电力供应器15经由第一组连接器18将功率提供(框86)给第一栅极驱动器板16。特别地，通过将第一电力供应器板14的一个或多个信号路径耦合到第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径，第一组连接器18使得第一电力供应器板14的一个或多个电力供应器15能够通过第一电力供应器板14的一个或多个信号路径将功率提供给第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径。第一电力供应器14的一个或多个电力供应器15还经由第一组连接器18和互连板20将功率提供(框88)给第二栅极驱动器板16。特别地，通过将第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径耦合到第二栅极驱动器板16的一个或多个信号路径，互连板20使得第一栅极驱动器板16能够通过第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径将功率(经由第一组连接器18从第一电力供应器板14的一个或多个电力供应器15供应)提供给第二栅极驱动器板16的一个或多个信号路径。应注意，互连板20可耦合到任何数目个栅极驱动器板16，且电力供应器板14的一个或多个电力供应器15可向耦合到互连板20的任何数目个栅极驱动器板16提供功率。
可能期望在某些情况下(例如由于故障)替换第一电力供应器板14。有利地，连接器18可被配置成实现从第一栅极驱动器板16的凹连接件46拔掉第一电力供应器板14的凸连接件44，以易于替换。因此，如果期望替换，那么从第一栅极驱动器板16解耦(框90)第一电力供应器板14。接着将第二电力供应器板14耦合(框92)到第一栅极驱动器板16。第二电力供应器板14可从一个或多个电力供应器15产生功率、将其转换或传送到第一栅极驱动器板16。第一栅极驱动器板16可接着将来自第二电力供应器板14的功率传送到一个或多个SiC MOSFET 12。第二电力供应器板14可经由第二组连接器18耦合到第一栅极驱动器板16。第二组连接器18可将第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径耦合到第二电力供应器板14的一个或多个信号路径。第二组连接器中的每个连接器18可包括可定位于第二电力供应器板14上的第三部分(例如凸连接件44)和可定位于第一栅极驱动器板16上的第二部分46。第二组连接器18的第三部分44和第二部分46可被配置成实现将第二电力供应器板14插入到第一栅极驱动器板16的第二部分46中、和从第二部分46拔掉第三部分44，以易于替换。第二组连接器18可使得第二电力供应器板14的一个或多个电力供应器15能够向第一栅极驱动器板16提供输入功率。
第二电力供应器板14的一个或多个电力供应器15经由第二组连接器18将功率提供(框94)给第一栅极驱动器板16。特别地，通过将第二电力供应器板14的一个或多个信号路径耦合到第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径，第二组连接器18使得第二电力供应器板14的一个或多个电力供应器15能够通过第二电力供应器板14的一个或多个信号路径将功率提供给第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径。第二电力供应器14的一个或多个电力供应器15还经由第二组连接器18和互连板20将功率提供(框96)给第二栅极驱动器板16。特别地，通过将第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径耦合到第二栅极驱动器板16的一个或多个信号路径，互连板20使得第一栅极驱动器板16能够经由第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径将功率(通过第二组连接器18从第二电力供应器板14的一个或多个电力供应器15供应)提供给第二栅极驱动器板16的一个或多个信号路径。
在一些实施例中，第三电力供应器板14可耦合到第二栅极驱动器板16。第三电力供应器板14可从一个或多个电力供应器15产生功率、将其转换或传送到第二栅极驱动器板16。第二栅极驱动器板16可接着将来自第三电力供应器板14的功率传送到一个或多个SiCMOSFET 12。第三电力供应器板14可经由第三组连接器18耦合到第二栅极驱动器板16，第三组连接器18包括可定位于第三电力供应器板14上的第四部分(例如凸连接件44)和可定位于第二栅极驱动器板16上的第五部分(例如凹连接件46)。第三组连接器中的每个连接器18的第四部分44和第五部分46可被配置成实现将第二电力供应器板14的第四部分44插入到第一栅极驱动器板16的第五部分46中、和从第五部分46拔掉第四部分44，以易于替换。连接器18可使得第三电力供应器板14能够向第二栅极驱动器板16提供输入功率。因此，第三电力供应器板14的一个或多个电力供应器15可经由第三组连接器18向第二栅极驱动器板16提供功率。
在一些实施例中，第三电力供应器板14的一个或多个电力供应器15可经由第三组连接器18向第二栅极驱动器板16提供功率，而在框86中，第一电力供应器板14的一个或多个电力供应器15向第一栅极驱动器板16提供功率。在一些实施例中，当第一电力供应器板14从第一栅极驱动器板16解耦时，第三电力供应器板14的一个或多个电力供应器15可经由第三组连接器18向第二栅极驱动器板16提供功率。此外，当第一电力供应器板14从第一栅极驱动器板16解耦时，第三电力供应器板14可经由第三组连接器18和互连板20向第一栅极驱动器板16提供功率。特别地，通过将第二栅极驱动器板16的一个或多个信号路径耦合到第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径，互连板20使得第二栅极驱动器板16能够通过第二栅极驱动器板16的一个或多个信号路径将功率(经由第三组连接器18从第三电力供应器板14的一个或多个电力供应器15供应)提供给第一栅极驱动器板16的一个或多个信号路径。
在一些实施例中，当第二电力供应器板14耦合到第一栅极驱动器板16时，第三电力供应器板14的一个或多个电力供应器15可继续经由第三组连接器18向第二栅极驱动器板16提供功率、并经由第三组连接器18和互连板20向第一栅极驱动器板16提供功率。在额外或替代性实施例中，第二电力供应器板14的一个或多个电力供应器15经由第二组连接器18向第一栅极驱动器板16提供功率(如框94中所示出)，并经由第二组连接器18和互连板20向第二栅极驱动器板16提供功率(如框96中所示出)。应注意，互连板20可耦合到任何数目个栅极驱动器板16，且每个栅极驱动器板可耦合到电力供应器板14。互连板20可被配置成组合、增强和/或分摊所供应功率、和通过耦合到互连板20的每个电力供应器板14的一个或多个电力供应器15供应功率的频率。举例来说，互连板20可被配置成按期望频率将由耦合到栅极驱动器板16的所有电力供应器板14供应的总功率的部分引导到耦合到互连板20的一个或多个目标栅极驱动器板16，栅极驱动器板16耦合到互连板20。
本发明的技术效果包括用于与SiC半导体功率装置一起使用的模块化布局的系统和方法。特别地，模块化布局包括栅极驱动器电路板、电力供应器电路板和互连电路板，其中每个电路板可由于模块化布局而易于替换。栅极驱动器电路板可放大低功率输入以便输出高电流来驱动SiC半导体功率装置的栅电容。电力供应器电路板可从电源产生功率、将所述功率转换或传送到栅极驱动器电路板。互连电路板可提供多个栅极驱动器板之间的连接和分离。以此方式，模块化布局被设计成提供栅极驱动器电路板与电力供应器板之间的分离以降低EMI噪声。本发明包括使用对称电路系统以通过使用具体电路跟踪型样和电路部件来降低共模噪声的实施例。本发明进一步包括通过使用具体设计的电路板(例如，包括跟踪层下的铜层)来降低EMI噪声的实施例。
本说明书用实例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使所属领域的技术人员能实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，并且可以包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果这种其它实例具有与所附权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么这种其它实例希望在权利要求的范围内。
本说明书呈现并要求的技术经参考且应用于具有实践性质的实质对象和具体实例，所述实质对象和具体实例以可论证方式改进本技术领域且因此不是抽象的、无形的或纯理论的。另外，如果随附到本说明书的结尾的任何权利要求项含有指定为“用于[执行][功能]……的构件”或“用于[执行][功能]……的步骤”的一个或多个元件，那么希望将依照35U.S.C.112(f)解译此类元件。但是，对于含有以任何其它方式指定的元件的任何权利要求项，希望不会将依照35U.S.C.112(f)解译此类元件。

Claims (24)

1.一种系统，包括：
一个或多个碳化硅半导体功率装置；
电力供应器电路板，其被配置成经由一个或多个连接器向第一栅极驱动器电路板提供功率；
所述第一栅极驱动器电路板，所述第一栅极驱动器电路板耦合到所述一个或多个碳化硅半导体功率装置且被配置成提供电流来驱动所述一个或多个碳化硅半导体功率装置的一个或多个栅极，其中所述第一栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径经由所述一个或多个连接器耦合到所述电力供应器电路板的一个或多个信号路径，且其中所述第一栅极驱动器电路板与所述电力供应器电路板分离；以及
互连电路板，所述互连电路板耦合到所述第一栅极驱动器电路板，其中所述互连电路板被配置成将所述第一栅极驱动器电路板的所述一个或多个信号路径耦合到第二栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电力供应器电路板被配置成经由所述互连电路板向所述第二栅极驱动器电路板提供功率。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述互连电路板被配置成使得所述第一栅极驱动器电路板和所述第二栅极驱动器电路板能够插入到所述互连电路板内和从所述互连电路板拔掉。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一栅极驱动器板和或所述第二栅极驱动器板包括去饱和电路系统。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电力供应器电路板包括一个或多个电力供应器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一栅极驱动器电路板和所述第二栅极驱动器电路板各自包括一个或多个栅极驱动器集成电路。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一栅极驱动器电路板和所述第二栅极驱动器电路板中的每个栅极驱动器集成电路耦合到所述一个或多个碳化硅半导体功率装置中的一个碳化硅半导体功率装置。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述互连电路板被配置成将输入信号修改成匹配所述电力供应器电路板、所述第一栅极驱动器电路板、所述第二栅极驱动器电路板或所述互连电路板中的逻辑栅极的传播延迟。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一栅极驱动器电路板或所述第二栅极驱动器电路板的供应电压可被调整成匹配所述电力供应器电路板、所述第一栅极驱动器电路板、所述第二栅极驱动器电路板或所述互连电路板中的逻辑栅极的传播延迟。
10.一种系统，包括：
一个或多个碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管；
第一电力供应器电路板，所述第一电力供应器电路板被配置成向第一栅极驱动器电路板提供功率，其中所述第一电力供应器电路板包括设置于铜层上的跟踪层；
所述第一栅极驱动器电路板，所述第一栅极驱动器电路板耦合到所述一个或多个碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管，其中所述第一栅极驱动器电路板被配置成提供电流以驱动所述一个或多个碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的一个或多个栅极，其中所述第一栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径耦合到所述第一电力供应器电路板的一个或多个信号路径，其中所述第一栅极驱动器电路板与所述第一电力供应器电路板分离，且其中所述第一栅极驱动器电路板包括设置于铜层上的跟踪层；以及
互连电路板，所述互连电路板耦合到所述第一栅极驱动器电路板，其中所述互连电路板被配置成将所述第一栅极驱动器电路板的所述一个或多个信号路径耦合到第二栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径，其中所述互连电路板包括设置于铜层上的跟踪层，且其中所述第二栅极驱动器电路板包括设置于铜层上的跟踪层。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第二栅极驱动器电路板的所述一个或多个信号路径耦合到第二电力供应器电路板的一个或多个信号路径，其中所述第二电力供应器电路板被配置成向所述第二栅极驱动器电路板提供功率。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述互连电路板被配置成组合由所述第一电力供应器电路板的一个或多个电力供应器供应的第一功率与由所述第二电力供应器电路板的一个或多个电力供应器供应的第二功率。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，
所述第一电力供应器电路板的所述一个或多个电力供应器包括第一开关频率；
所述第二电力供应器电路板的所述一个或多个电力供应器包括第二开关频率；
且组合由所述第一电力供应器电路板的所述一个或多个电力供应器供应的所述第一功率与由所述第二电力供应器电路板的所述一个或多个电力供应器供应的所述第二功率实现大于所述第一开关频率且大于所述第二开关频率的第三开关频率。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一电力供应器电路板包括被配置成提供电流隔离的一个或多个隔离变压器。
15.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一栅极驱动器电路板包括一个或多个栅极驱动器集成电路，且其中所述一个或多个栅极驱动器集成电路被配置成放大由所述第一电力供应器电路板提供的低功率输入信号。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或多个栅极驱动器集成电路被配置成放大由所述第一电力供应器电路板的一个或多个电力供应器提供的低功率输入信号。
17.一种方法，包括：
将第一栅极驱动器电路板和第二栅极驱动器电路板耦合到互连电路板，其中所述第一栅极驱动器电路板和所述第二栅极驱动器电路板被配置成提供电流来驱动所述一个或多个碳化硅半导体功率装置的一个或多个栅极，且其中所述互连电路板被配置成将所述第一栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径耦合到第二栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径；
经由第一组连接器将第一电力供应器电路板耦合到所述第一栅极驱动器电路板，其中所述第一组连接器中的每个连接器包括设置于所述第一电力供应器电路板上的第一部分和设置于所述第一栅极驱动器电路板上的第二部分；
经由所述第一组连接器将功率从所述第一电力供应器电路板的一个或多个电力供应器提供给所述第一栅极驱动器电路板；
经由所述第一组连接器和所述互连电路板将功率从所述第一电力供应器电路板的所述一个或多个电力供应器提供给所述第二栅极驱动器电路板；
将所述第一电力供应器电路板从所述第一栅极驱动器电路板解耦；
经由第二组连接器将第二电力供应器电路板耦合到所述第一栅极驱动器电路板，其中所述第二组连接器中的每个连接器包括设置于所述第二电力供应器电路板上的第三部分和设置于所述第一栅极驱动器电路板上的所述第二部分；
经由所述第二组连接器将功率从所述第二电力供应器电路板的所述一个或多个电力供应器提供给所述第一栅极驱动器电路板；以及
经由所述第二组连接器和所述互连电路板将功率从所述第二电力供应器电路板的所述一个或多个电力供应器提供给所述第二栅极驱动器电路板。
18.根据权利要求17所述的方法，包括：
经由第三组连接器将第三电力供应器电路板耦合到所述第二栅极驱动器电路板，其中所述第三组连接器中的每个连接器包括设置于所述第三电力供应器电路板上的第四部分和设置于所述第二栅极驱动器电路板上的第五部分；以及
经由所述第三组连接器将功率从所述第三电力供应器电路板的一个或多个电力供应器提供给所述第二栅极驱动器电路板。
19.根据权利要求18所述的方法，包括：
在所述第一电力供应器电路板从所述第一栅极驱动器电路板解耦时，经由所述第三组连接器和所述互连电路板将功率从所述第三电力供应器电路板的所述一个或多个电力供应器提供给所述第一栅极驱动器电路板。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一栅极驱动器电路板、所述第二栅极驱动器电路板、所述第一电力供应器电路板、所述第二电力供应器电路板或所述互连电路板包括设置于第一铜层上的第一跟踪层、设置于第二跟踪层上的所述第一铜层、和设置于第二铜层上的所述第二跟踪层。
21.一种系统，包括：
第一组碳化硅半导体功率装置；
第二组碳化硅半导体功率装置；
第一电力供应器电路板，其被配置成向第一栅极驱动器电路板提供功率；
第二电力供应器电路板，其被配置成向第二栅极驱动器电路板提供功率；
所述第一栅极驱动器电路板，所述第一栅极驱动器电路板耦合到所述第一组碳化硅半导体功率装置且被配置成提供电流来驱动所述第一组碳化硅半导体功率装置的一个或多个栅极，其中所述第一栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径耦合到所述第一电力供应器电路板的一个或多个信号路径，且其中所述第一栅极驱动器电路板与所述第一电力供应器电路板分离；
所述第二栅极驱动器电路板，所述第二栅极驱动器电路板耦合到所述第二组碳化硅半导体功率装置且被配置成提供电流来驱动所述第二组碳化硅半导体功率装置的一个或多个栅极，其中所述第二栅极驱动器电路板的一个或多个信号路径耦合到所述第二电力供应器电路板的一个或多个信号路径，且其中所述第二栅极驱动器电路板与所述第二电力供应器电路板分离；以及
控制器，所述控制器包括一个或多个处理器，其中所述控制器耦合到所述第一电力供应器电路板和所述第二电力供应器电路板，其中所述一个或多个处理器被配置成控制由所述第一电力供应器电路板和所述第二电力供应器电路板提供的总功率。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述一个或多个处理器被配置成控制频率，在所述频率，所述总功率由所述第一电力供应器电路板和所述第二电力供应器电路板提供。
23.根据权利要求21所述的系统，其中，所述一个或多个处理器被配置成将由所述第一电力供应器电路板和所述第二电力供应器电路板提供的所述总功率的部分提供给所述第一栅极驱动器电路板。
24.根据权利要求21所述的系统，其中，所述一个或多个处理器被配置成将由所述第一电力供应器电路板和所述第二电力供应器电路板提供的所述总功率的部分提供给所述第二栅极驱动器电路板。
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