CN112491253B - SiC MOSFET串扰电压的计算、寄生参数提取和驱动参数整定方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

SiC MOSFET串扰电压的计算、寄生参数提取和驱动参数整定 方法

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_gs表示栅源电压，V_off表示驱动关断电压；A、B、C、D、E为中间参数，t表示时间，L_s表示共源电感，C_gd表示栅漏电容，i_s表示源极电流，V_ds表示漏源电压，R_{g_ex}表示外部栅极电阻，R_{g_in}表示内部栅级电阻，C_{gs_ex}表示外部栅源电容，C_{gs_in}表示内部栅源电容，V_gs表示串扰电压V_gs初值。

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_s计算公式如下：

寄生参数C_gd计算公式如下：

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_{gs_in}计算公式如下：

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_{g_in}计算公式如下：

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，

为功率器件开通时间t_open与关断时间t_close的期望；λ为时间系数，用于补偿纳秒级动作时间，使其接近串扰电压数量级，V_gs1至V_gs5分别表示第一阶段至第五阶段的串扰电压。

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_d、共源电感L_s、门级电感L_g、栅漏电容C_gd、内部栅源电容C_{gs_in}、漏源电容C_ds、内部栅级电阻R_{g_in}、PCB布局引入的寄生电阻R_c与寄生电感L_c；主要集中参数有外部栅极电阻R_{g_ex}、外部栅源电容C_{gs_ex}，上管动作管参数角标为1，下管关断管角标为2；L_load为并联至同桥臂关断管的空心电感，C_Bulk为直流母线支撑电容。

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_gs1与相邻下管关断器件的漏源电压V_ds2、源极电流波形i_s2以及受到串扰的栅源电压V_gs2，取功率器件漏极流至源极为源极电流正方向，图中V_ggh为驱动电压高电平、V_ggl为驱动电压低电平。其开通过程中主要有三个阶段影响串扰电压最值：

(a)第一阶段(t₁→t₂)：下管源极电流i_s2由负向电感负载电流减小至0，其变化率

闭锁的下管仍处于二极管续流状态，漏源极电压被钳位至二极管导通压降V_ak(on)，V_ds2基本不变，其变化率

(b)第二阶段(t₂→t₃)：t₂时刻i_s2已经上升至最大值并随后开始减小，其变化率

C_ds2开始充电，上下两管漏源极间发生电压交换，使V_ds1下降、V_ds2迅速上升至母线电压V_dc，其变化率

(c)第三阶段(t₃→t₄)：在t₃时刻，由于回路中存在寄生电感与寄生电容，V_ds2出现过冲继续上升至最大值，其变化率

i_s1仍在继续减小，其变化率

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(t₈→t₉)：i_s1对C_ds2进行放电，使V_ds1上升、V_ds2快速下降，其变化率

i_s2此时开始负向增大，其变化率

(e)第五阶段(t₉→t₁₀)：t₉时刻V_ds2已经下降至反并联二极管或体二极管导通压降V_ak(on)并基本维持不变，其变化率

因为二极管开始续流，i_s1加速下降、i_s2则加速负向增大，其变化率

开通过程t₄时刻与关断过程t₁₀时刻以后功率管进入漏源电压、源极电流震荡阶段，但因为电压、电流震荡的斜率逐渐减小，因此串扰电压最大值时刻不会出现在震荡阶段，故予以忽略。

串扰电压的来源主要有两点：

(1)共源电感L_s2因源极电流变化感生的电压，可以将其等效为电压源

处理；

(2)栅漏电容C_gd2充放电时引入的电流，可以将其等效为电流源

处理。

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_gs2的微分方程：

其中

C_gs2＝C_{gs2_ex}+C_{gs2_in}

在所划分开关动作阶段内，下管漏源电压V_ds2变化时斜率基本不变，因此可以认为：

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_g2往往可以忽略，串扰电压方程可以进一步简化为一阶常微分方程：

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

C₁＝V_gs2(0)-V_off+A*L_s2-B*C_gd2*(R_{g2_ex}+R_{g2_in})

V_off为驱动关断电压；C₁为常数，在不同开关阶段内取值不同，既取决于

也和该阶段初始时刻串扰电压V_gs2初值有关。在本实施例中上管为动作管，下管为受串扰管，可以通过实验或仿真得到额定工况下开关动作过程中各关键阶段的

与

并将其用于受串扰管串扰电压的分段拟合与预测，指导驱动回路集中参数选型。

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_{g2_in}、L_s2、C_gd2、C_{gs2_in}有很大关系，鉴于此，本发明还给出一种通过调整外部集中参数R_{g2_ex}、C_{gs2_ex}，利用串扰电压模型与双脉冲测试结果准确提取实际驱动寄生参数大小的方法，具体实施方式见下文步骤(2)。

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_ds、源极电流i_s与受串扰电压V_gs变化波形；根据受串扰管漏源电压与源极电流变化特点将功率管动作过程产生串扰的主要阶段划分为开通过程(a)至(c)、关断过程(d)至(e)共五个阶段，并记录受串扰管在各受串扰阶段的漏源电压变化率

与源极电流变化率

(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

源极电流变化率

提取回路寄生参数包括功率器件内部栅极电阻R_{g_in}、内部栅漏电容C_gd、内部栅源电容C_{gs_in}、驱动回路共源电感L_s；

(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

源极电流变化率

代入串扰电压方程，并引入动作时间约束，获取驱动回路集中参数关于串扰电压抑制的目标函数；

(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_s从负向电感负载电流上升至正向恢复电流最大值，V_ds基本不变；

(b)第二阶段：i_s由正向恢复电流最大值逐渐下降，V_ds快速增大至直流母线电压；

(c)第三阶段：i_s仍继续下降，V_ds超过母线电压继续上升至最大电压过冲。

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_ds由母线电压下降至反并联二极管导通压降，i_s以较小斜率缓慢下降；

(e)第五阶段：V_ds基本不变，i_s以较大斜率快速下降。

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_{g_ex}与外部栅源电容C_{gs_ex}，使其满足R_{g_ex}≥10*R_{g_in}与C_{g_ex}≥10*C_{g_in}，以待优化驱动回路为恒关断回路对半桥桥臂进行双脉冲测试；将受串扰管在第五阶段(e)的测量数据

V_gs代入串扰电压方程，提取寄生参数L_s：

得到L_s后，再将本次双脉冲测试中受串扰管在第四阶段(d)的测量数据

V_gs代入串扰电压方程，计算寄生参数C_gd：

(202)缩小受串扰回路外部栅源电容C_{gs_ex}，使其满足C_{g_ex}≈C_{g_in}，以待优化驱动回路为恒关断回路对半桥桥臂进行双脉冲测试；将第四阶段(d)或第五阶段(e)的测量数据

V_gs和计算得到的L_s、C_gd代入串扰电压方程，计算寄生参数C_{gs_in}：

(203)缩小受串扰回路外部栅极电阻R_{g_ex}，使其满足R_{g_ex}≈R_{g_in}，以待优化驱动回路为恒关断回路对半桥桥臂进行双脉冲测试；将第四阶段(d)或第五阶段(e)的测量数据

V_gs和计算得到的L_s、C_gd、C_{gs_in}代入串扰电压方程，计算寄生参数R_{g_in}：

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

代入串扰电压方程，分别写出五个主要受串扰阶段内串扰电压表达式V_gs(a)至V_gs(e)，并使本受串扰阶段的初值与上一阶段终值满足串扰电压连续原则；

(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C₁时所需的该阶段串扰电压初值，需满足本阶段的初始值为上一相邻阶段的终值；开通过程的初始阶段(a)与关断过程的初始阶段(d)除外，这两个阶段的初始值即为驱动关断电压V_off。

具体地，a至e阶段串扰电压方程V_gs(x)(x＝a,b,c,d,e)表示为：

其中

C_1(x)＝V_gs0(x)-V_off+A_(x)*L_s-B_(x)*C_gd*(R_{g_ex}+R_{g_in})

V_off为驱动关断电压；当t_(x)(x＝a,b,c,d,e)取开关动作阶段的持续时间时，V_gs(x)即为该受串扰阶段最终串扰电压；V_gs0(x)为每阶段初始时刻串扰电压，其满足串扰电压阶段间连续原则，即：

V_gs0(a)＝V_gs0(d)＝V_offV_gs0(b)＝V_gs(a)V_gs0(c)＝V_gs(b)V_gs0(e)＝V_gs(d)

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_{gs_ex}或R_{g_ex}，导致开关动作过程无限放慢，没有实际工程意义。

优选地，动作时间约束包括：

开通过程：

t_open＝t₁+t₂

t₁＝(R_{g_ex}+R_{g_in})*(C_{gs_ex}+C_{gs_in}+C_gd)*D₁

t₂＝(R_{g_ex}+R_{g_in})*D₂

关断过程：

t_close＝t₃+t₄

t₃＝(R_{g_ex}+R_{g_in})*D₃

t₄＝(R_{g_ex}+R_{g_in})*(C_{gs_ex}+C_{gs_in}+C_gd)*D₄

其中，t₁为功率器件开通过程中电流上升时间、t₂为功率器件开通过程中电压下降时间、t₃为功率器件关断过程中电压上升时间、t₄为功率器件关断过程中电流下降时间。在器件运行工况不变的条件下，D₁、D₂、D₃、D₄可视为常数，可以在提取回路寄生参数后，由双脉冲测试结果获取。

包含动作时间约束的串扰抑制目标函数优选为：

其中，

为期望的功率器件开通时间与关断时间；λ为时间系数，用于补偿纳秒级动作时间，使其接近串扰电压数量级。λ越大，动作时间限制越强，串扰抑制优化效果相对越弱，本发明建议选取为1e8。

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_{g_ex}＝15Ω、C_{gs_ex}＝5nF，驱动电压V_gs＝+20/-5V。人为在驱动回路引入共源电感L_s，为了更直观体现串扰优化效果，省去其他引起串扰电压谐振的寄生参数。将135uH电感负载并联至下管，并始终封锁下管；调整施加在上管的两个开通信号的宽度与间隔，使上管在第二个开通脉冲到来前达到额定运行工况；保存下管V_ds2、i_s2、以及V_gs2(受串扰电压)变化波形，整定受串扰下管的驱动回路集中参数。

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

源极电流变化率

与实际串扰电压V_gs进行处理，得到实际驱动回路寄生参数大小，如表1所示：

表1

寄生参数类型	寄生参数值
		C<sub>gs_in</sub>	0.5nF
R<sub>g_in</sub>	1Ω
		L<sub>s</sub>	2.5nH
C<sub>gd</sub>	0.07nF

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^* _{gs_ex}＝5.7nF、R^* _{g_ex}＝17.3Ω。

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。

Claims (10)

1.一种SiC MOSFET串扰电压的计算方法，其特征在于，计算公式如下：

其中，V_gs表示栅源电压，即串扰电压，V_off表示驱动关断电压；A、B、C、D、E为中间参数，t表示时间，L_s表示共源电感，C_gd表示栅漏电容，i_s表示源极电流，V_ds表示漏源电压，R_{g_ex}表示外部栅极电阻，R_{g_in}表示内部栅级电阻，C_{gs_ex}表示外部栅源电容，C_{gs_in}表示内部栅源电容，V_gs0表示栅源电压V_gs初值。

2.一种SiC MOSFET驱动回路寄生参数的提取方法，其特征在于，所述SiC MOSFET串扰电压采用如权利要求1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，代入权利要求1中所述计算公式，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，代入权利要求1中所述计算公式，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，代入权利要求1中所述计算公式，计算寄生参数受串扰管内部栅极电阻。

3.如权利要求2所述的提取方法，其特征在于，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_s计算公式如下：

寄生参数C_gd计算公式如下：

4.如权利要求2所述的提取方法，其特征在于，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_{gs_in}计算公式如下：

5.如权利要求2所述的提取方法，其特征在于，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_{g_in}计算公式如下：

6.一种SiC MOSFET串扰抑制驱动参数整定方法，所述SiC MOSFET串扰电压采用如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，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权利要求1中所述计算公式，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。

7.如权利要求6所述的整定方法，其特征在于，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。

8.如权利要求7所述的整定方法，其特征在于，步骤(T3)采取如权利要求2至5任一项所述的提取方法。

9.如权利要求7或8所述的整定方法，其特征在于，步骤(T5)中，包含动作时间约束的串扰抑制目标函数为：

其中，

为功率器件开通时间t_open与关断时间t_close的期望；λ为时间系数，用于补偿纳秒级动作时间，使其接近串扰电压数量级，V_gs1至V_gs5分别表示第一阶段至第五阶段的串扰电压。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，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，以实现如权利要求2-5中任一项所述的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，以实现如权利要求6-9任一项所述的SiC MOSFET串扰抑制驱动参数整定方法的步骤。

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