CN113228484B - 门极主动控制电路、方法及SiC MOSFET门极主动控制系统 - Google Patents

门极主动控制电路、方法及SiC MOSFET门极主动控制系统 Download PDF

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Abstract

一种门极主动控制电路、方法及SiC MOSFET门极主动控制系统，包括可编程模块、电位计模块、4选1模拟开关和门极电流调控电路；可编程模块的输出端与半导体开关器件的门极连接，电位计模块的输入端连接电源电压端，电位计模块的输出端与4选1模拟开关的输入端连接，可编程模块的控制端与4选1模拟开关的受控端连接，4选1模拟开关的输出端与门极电流调控电路的输入端连接，门极电流调控电路的输出端与半导体开关器件的门极连接。通过可编程模块、电位计模块、4选1模拟开关和门极电流调控电路的控制，配置为对半导体开关器件进行开通暂态调控、关断暂态调控、软关断调控；降低门极主动控制电路的硬件成本、调试复杂度，同时提升了控制灵活性、可靠性。

Description

门极主动控制电路、方法及SiC MOSFET门极主动控制系统
技术领域
本申请涉及电力电子开关器件技术领域，特别涉及一种门极主动控制电路、方法及SiC MOSFET门极主动控制系统。
背景技术
随着市场对高效率、高功率密度变换器的需求日益旺盛，如新能源、电动汽车的兴起，宽禁带半导体器件SiC MOSFET(碳化硅-金属氧化物半导体场效应晶体管)逐步得到应用。与传统的Si基半导体器件相比，SiC器件具有开关速度快、导通电阻低、耐高温、散热性好等优势。但由于SiC MOSFET开关速度快，器件在开关过程中会产生较大的dv/dt和di/dt，同时电路中存在寄生参数，会导致开关器件的瞬态电压、电流会产生较大的尖峰和振荡。瞬态电压、电流的尖峰和振荡一方面会危及器件的安全，使得在器件选型时必须留有较大的裕量，增加了硬件成本；另一方面，也会加剧电力电子变换器的高频电磁干扰，影响设备的可靠性。因此，有效抑制SiC MOSFET器件开关过程中瞬态电压、电流的尖峰和振荡是SiC器件应用中亟需解决的问题。
针对以上问题，对于小功率SiC MOSFET，一般通过优化PCB设计、增加驱动电阻或吸收电路减缓器件，来解决SiC器件暂态的电压、电流尖峰及振荡问题。对于大功率SiCMOSFET一般采用主动门极控制方法解决以上问题。功率半导体器件主动门极控制电路可以分为开环式驱动电路和闭环式驱动电路。开环式驱动主要有多电平控制法和多驱动电阻控制法等，基本原理是在SiC MOSFET开关过程的不同阶段，采用不同的电阻、电压进行驱动，从而改变其开关特性，进而达到优化电压、电流尖峰及振荡的目的。该方法一般需要多个电阻或电压源及配套的切换开关，增加了门极驱动电路的元器件数量及复杂度。
闭环驱动电路主要是通过漏极电流、漏源极电压、栅源极电压或漏极电流变化率、漏源极电压变化率等变化量形成闭环反馈，对SiC MOSFET开关过程进行控制，使相应的变化量按给定参考值变化，从而抑制开关过程中的瞬态电压、电流峰值和振荡。例如参考文献《抑制瞬态电压电流尖峰和振荡的电流注入型SiC MOSFET有源驱动方法研究》提出一种电流注入型有源驱动电路，通过检测栅极电压，在SiC MOSFET开关过程中通过抽取或向栅极注入电流，达到抑制开关过程瞬态电压、电流尖峰和振荡的目的。申请号为CN201911116005.X的专利《一种改善驱动性能的SiC MOSFET主动驱动电路》，通过检测漏极电压变化率和漏极电流变化率作为反馈时间实施控制。闭环控制可以较为精确的实现开关过程的波形，但稳定性存在一定问题，当反馈量存在不稳定因素时会影响驱动电路的控制效果，严重时甚至会损坏器件。同时上述抑制开关过程中的瞬态电压、电流峰值和振荡的电路还存在一个共性问题，就是调试比较复杂，无法在线进行驱动的配置。
申请内容
为实现上述目的，本申请提出一种门极主动控制电路，该门极主动控制电路包括：
可编程模块、电位计模块、4选1模拟开关和门极电流调控电路；
所述可编程模块的输出端与所述半导体开关器件的门极连接，所述电位计模块的输入端连接电源电压端，所述电位计模块的输出端与所述4选1模拟开关的输入端连接，所述可编程模块的控制端与所述4选1模拟开关的受控端连接，所述4选1模拟开关的输出端与所述门极电流调控电路的输入端连接，所述门极电流调控电路的输出端与所述半导体开关器件的门极连接；
所述可编程模块，设置为输出第一模拟开关控制信号和第二模拟开关控制信号至所述4选1模拟开关；
所述电位计模块，设置为输出多路电压参考信号，配置为经所述4选1模拟开关给定至所述门极电流调控电路；
所述4选1模拟开关，设置为在不同时刻对多路所述电压参考信号进行选通控制，配置为所述门极电流调控电路提供参考电压；
所述门极电流调控电路，设置为对所述半导体开关器件进行开通暂态调控、关断暂态调控、以及软关断调控。
本申请还提出一种门极主动控制方法，设置为半导体开关器件的门极主动控制，所述门极主动控制方法包括：
控制可编程模块输出第一模拟开关控制信号和第二模拟开关控制信号；
控制电位计模块输出多路电压参考信号；
根据第一模拟开关控制信号和第二模拟开关控制信号，在不同时刻对多路所述电压参考信号进行选通控制，配置为门极电流调控电路提供参考电压；
对所述半导体开关器件进行开通暂态调控、关断暂态调控和软关断调控，或者对所述半导体开关器件进行关断暂态dv/dt和di/dt调控。
本申请还提出一种SiC MOSFET门极主动控制系统，所述SiC MOSFET门极主动控制系统包括存储器、控制器、存储在所述存储器上并可在所述控制器上运行的门极主动控制程序及如上所述的门极主动控制电路，所述控制器与所述门极主动控制电路的可编程模块互相连接，所述门极主动控制程序被所述控制器执行时实现如上所述的门极主动控制方法的步骤。
本申请技术方案中的门极主动控制电路，设置为半导体开关器件的门极主动控制，包括可编程模块、电位计模块、4选1模拟开关和门极电流调控电路；可编程模块的输出端与半导体开关器件的门极连接，可编程模块的控制端与4选1模拟开关的受控端连接，电位计模块的输入端连接电源电压端，电位计模块的输出端与所4选1模拟开关的输入端连接，可编程模块设置为输出第一模拟开关控制信号和第二模拟开关控制信号至4选1模拟开关，4选1模拟开关在不同时刻对电位计模块输出的多路电压参考信号进行选通控制，配置为门极电流调控电路提供参考电压，经门极电流调控电路对半导体开关器件进行开通暂态调控、关断暂态调控、以及软关断调控。解决了相关技术中半导体开关器件的开关暂态电压、电流尖峰和振荡控制，以及半导体开关器件的短路故障问题。本方案在半导体开关器件的开关暂态阶段，通过4选1模拟开关动态切换输出至门极电流调控电路的电压参考信号，采用单个门极电流调控电路控制半导体开关器件的门极电流的大小，同时实现了半导体开关器件的开通暂态调控、关断暂态调控及软关断控制。以此使得本申请技术方案降低了半导体开关器件中门极主动控制电路的硬件成本、调试复杂度，同时提升门极主动控制电路的控制灵活性、可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本申请门极主动控制电路一实施例的电路结构示意图；
图2为本申请电位计模块一实施例的电路结构示意图；
图3为本申请4选1模拟开关一实施例的电路结构示意图；
图4为本申请门极电流调控电路一实施例的电路结构示意图；
图5为本申请主推挽电路一实施例的电路结构示意图；
图6为本申请短路保护模块一实施例的电路结构示意图；
图7为本申请门极主动控制方法一实施例的流程示意图；
图8为本申请SiC MOSFET一实施例的开通波形示意图；
图9为本申请SiC MOSFET一实施例的开通调控时序示意图；
图10为本申请SiC MOSFET一实施例的关断波形示意图；
图11为本申请SiC MOSFET一实施例的关断调控时序示意图；
图12为本申请SiC MOSFET一实施例的软关断调控时序示意图；
图13为本申请SiC MOSFET一实施例的关断暂态dv/dt和di/dt独立调控时序示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。
本申请提出一种门极主动控制电路，设置为半导体开关器件的门极主动控制。
在本申请一实施例中，参照如图1所示，该门极主动控制电路包括：可编程模块11、电位计模块13、4选1模拟开关12和门极电流调控电路14；
所述可编程模块11的输出端与所述半导体开关器件的门极连接，所述电位计模块13的输入端连接电源电压端，所述电位计模块13的输出端与所述4选1模拟开关12的输入端连接，所述可编程模块11的控制端与所述4选1模拟开关12的受控端连接，所述4选1模拟开关12的输出端与所述门极电流调控电路14的输入端连接，所述门极电流调控电路14的输出端与所述半导体开关器件的门极连接；
所述可编程模块11，设置为输出第一模拟开关控制信号和第二模拟开关控制信号至所述4选1模拟开关12；
所述电位计模块13，设置为输出多路电压参考信号，配置为经所述4选1模拟开关12给定至所述门极电流调控电路14；
所述4选1模拟开关12，设置为在不同时刻对多路所述电压参考信号进行选通控制，配置为所述门极电流调控电路14提供参考电压；
所述门极电流调控电路14，设置为对所述半导体开关器件进行开通暂态调控、关断暂态调控、以及软关断调控。
本实施例中，可编程模块11可配置为是CPLD或FPGA，根据实际应用情况选定，此处不做具体限定。本方案中可编程模块11是门极控制电路的核心控制部分，此处负责模拟开关控制信号的给定，具体是输出第一模拟开关信号S1和第二模拟开关控制信号S2至4选1模拟开关12，配置为对4选1模拟开关12进行选通控制。
本方案中，电位计模块13设置为门极电流调控电路14的输入电压给定，即是输出多路电压参考信号，经4选1模拟开关12的选通控制，配置为输出至门极电流调控电路14。具体地，电位计模块13输出多路电压参考信号，设置为半导体开关器件的开通暂态门极电流调控电路14的电压参考信号的给定，或是设置为半导体开关器件的关断暂态门极电流调控电路14的电压参考信号的给定；或是设置为半导体开关器件的软关断暂态门极电流调控电路14的电压参考信号的给定。可配置为理解的是，本方案中电位计模块13可配置为是传统的模拟式电位计，也可配置为具有编程功能的数字式电位计，根据实际应用情况选定，此处不做具体限定。
本方案中，4选1模拟开关12通过可编程模块11输出的第一模拟开关控制信号S1和第二模拟开关控制信号S2的控制，在不同时刻将电位计模块13输出的多路电压参考信号选通至输出Vchref，为门极电流调控电路14提供参考电压。门极电流调控电路14设置为半导体开关器件开关暂态行为的精确控制，同时可实现软关断功能，门极电流调控电路14的输出电流Iga由输入电压Vchref决定，即Iga＝f(Vchref)。因此通过调节电位计模块13的输出的多路参考电压大小，以及4选1模拟开关S1、S2的电平信号和切入时间，即可控制半导体开关器件的门极电流，从而实现半导体开关器件的开关暂态调控、关断暂态调控、以及软关断调控。
本申请技术方案中的门极主动控制电路，应设置为半导体开关器件的门极主动控制，包括可编程模块11、电位计模13块、4选1模拟开关12和门极电流调控电路14。解决了相关技术中半导体开关器件的开关暂态电压、电流尖峰和振荡控制，以及半导体开关器件的短路故障问题。本方案在半导体开关器件的开关暂态阶段，通过4选1模拟开关12动态切换输出至门极电流调控电路14的电压参考信号，采用单个门极电流调控电路14控制半导体开关器件的门极电流的大小，同时实现了半导体开关器件的开通暂态调控、关断暂态调控及软关断控制。以此使得本申请技术方案降低了半导体开关器件中门极主动控制电路的硬件成本、调试复杂度，同时提升门极主动控制电路的控制灵活性、可靠性。
在一实施例中，参照如图2所示，所述电位计模块13包括3路电压给定电路；
每一所述电压给定电路具有一可调电阻，所述可调电阻的第一端连接电源电压端，所述可调电阻的第二端接地；
各所述电压给定电路，设置为输出一电压参考信号至所述4选1模拟开关12。
本实施例中，电位计模块13设置为门极电流调控电路14的输入电压给定，即是输出多路电压参考信号，分别是可调电阻VR1、可调电阻VR2和可调电阻VR3，配置为分别输出参考电压信号Vref1、参考电压信号Vref2和参考电压信号Vref3；经4选1模拟开关12的选通控制，配置为输出至门极电流调控电路14。进一步地，电位计模块13包括3路电压给定电路，也即是第一电压给定电路的输出电压参考信号Vref1设置为半导体开关器件开通暂态门极电流调控电路14的电压参考信号给定，连接至4选1模拟开关12的第一输入端Vch1；第二电压给定电路的输出电压参考信号Vref2设置为半导体开关器件关断暂态门极电流调控电路14的电压参考信号给定，连接至4选1模拟开关12的第二输入端Vch2；第三电压给定电路的输出电压参考信号Vref3设置为半导体开关器件软关断门极电流调控电路14的电压参考信号给定，连接至4选1模拟开关12的第三输入端Vch4。本方案通过多路电压给定电路中包括的一可调电阻实现了多路电压参考电压的调控输出，提升了门极主动控制电路的操作灵活性。
在一实施例中，参照如图3所示，所述4选1模拟开关12包括4个输入端、2个受控端和1个输出端；
3个所述输入端分别与所述电位计模块13的输出端连接，一所述输入端接地，2个所述受控端分别与所述可编程模块11的控制端连接，所述输出端与所述门极电流调控电路14的输入端连接。
本实施例中，通过可编程模块11输出的第一模拟开关控制信号S1和第二模拟开关控制信号S2的控制，在不同时刻将电位计模块13输出的多路电压参考信号选通至输出Vchref，为门极电流调控电路14提供参考电压。进一步地，设置为在不同时刻将4路电压参考信号Vref1、Vref2、Vref3和Vref4选通至输出Vchref，为门极电流调控电路14提供参考电压，其中Vref1、Vref2、Vref3分别来自3路电位计模块13，Vref4为4选1模拟开关12的第四输入端Vch4接地为0V。4选1模拟开关12的第一模拟开关控制信号S1和第二模拟开关控制信号S2由可编程模块11给定，具体的控制逻辑时序为：
当第一模拟开关控制信号S1的电平信号为0，第二模拟开关控制信号S2电平信号为0时，4选1模拟开关12的Vch1连接至输出：Vchout＝Vch1，对应的参考电压信号为：Vchref＝Vref1；
当第一模拟开关控制信号S1的电平信号为0，第二模拟开关控制信号S2电平信号为1时，4选1模拟开关12的Vch2连接至输出：Vchout＝Vch2，对应的参考电压信号为：Vchref＝Vref2；
当第一模拟开关控制信号S1的电平信号为1，第二模拟开关控制信号S2电平信号为0时，4选1模拟开关12的Vch3连接至输出：Vchout＝Vch3，对应的参考电压信号为：Vchref＝Vref3；
当第一模拟开关控制信号S1的电平信号为1，第二模拟开关控制信号S2电平信号为1时，4选1模拟开关12的Vch4连接至输出：Vchout＝Vch4，对应的参考电压信号为：Vchref＝Vref4＝0。
在一实施例中，参照如图4所示，所述门极电流调控电路14包括第一二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第一晶体管Q1和运算放大器U1；
所述第一二极管D1的阳极与所述半导体开关器件的门极连接，所述第一二极管D1的阴极与所述第一电阻R1的第一端连接，所述第一电阻R1的第二端与所述第一晶体管Q1的集电极连接，所述第一晶体管Q1的发射极接地，所述第一晶体管Q1的基极与所述第二电阻R2的第二端连接，所述第二电阻R2的第一端、所述第三电阻R3的第二端和所述第一电容C1的第二端均与所述运算放大器U1的输出端连接，所述第三电阻R3的第一端、所述第一电容C1的第一端和所述第四电阻R4的第二端均与所述运算放大器U1的反相输入端连接，所述第四电阻R4的第一端接地，所述第五电阻R5的第一端与所述4选1模拟开关12的输出端连接，所述第五电阻R5的第二端与所述运算放大器U1的同相输入端连接。
本实施例中，门极电流调控电路14设置为半导体开关器件开关暂态行为的精确控制，同时可实现软关断功能，门极电流调控电路14的输出电流Iga由输入电压Vchref决定，即Iga＝f(Vchref)。因此通过调节电位计模块13的输出的多路参考电压大小，以及4选1模拟开关S1、S2的电平信号和切入时间，即可控制半导体开关器件的门极电流，从而实现半导体开关器件的开关暂态调控、关断暂态调控、以及软关断调控。进一步地，门极电流调控电路14由同相比例运算放大器U1、第一晶体管Q1(NPN型晶体管)及相关电路构成，其中第五电阻R5一端接4选1模拟开关12的输出端，第五电阻R5另一端接运算放大器U1同相输入端；第三电阻R3一端接运算放大器U1反相输入端，第三电阻R3另一端接地；第三电阻R3和第一电容C1并联的一端接运算放大器U1反相输入端，第三电阻R3和第一电容C1并联的另一端接运算放大器U1的输出端；第一电容C1起到滤波作用，运算放大器U1的输出电压Vout由公式(1)计算：
公式(1)：
Figure GDA0003149423030000061
第二电阻R2的一端接运算放大器U1输出端，第二电阻R2的另一端接晶体管的基极，第一电阻R1的一端接第一晶体管Q1(NPN型晶体管)的集电极，第一电阻R1的另一端接第一二极管D1的阴极；第一二极管D1的阴极接第一电阻R1，第一二极管D1的阳极接报道提开关器件的栅极；第一晶体管Q1(NPN型晶体管)的基极电流Ib由公式(2)计算：
公式(2)：
Figure GDA0003149423030000062
上述公式中VBE,Q1为第一晶体管Q1(NPN型晶体管)的基极-发射极电压，Ib为第一晶体管Q1(NPN型晶体管)的基极电流。当第一晶体管Q1(NPN型晶体管)工作在线性区时，第一晶体管Q1(NPN型晶体管)的集电极电流Ic，即门极电流调控电路14输出电流Iga＝β·Ib，其中β为第一晶体管Q1(NPN型晶体管)的电流放大倍数。
在一实施例中，参照如图1所示，所述门极主动控制电路还包括PWM信号转换模块16和故障信号输出模块17；
所述PWM信号转换模块16和所述故障信号输出模块17分别与所述可编程模块11连接；
所述PWM信号转换模块16，设置为接收PWM信号，并将接收的PWM信号转换成电平信号，配置为输出至所述可编程模块11；
所述故障信号输出模块17，设置为接收所述半导体开关器件的短路故障信号和/或驱动板故障信号，并输出。
本实施例中，PWM信号转换模块16设置为将控制器15发出的PWM信号，转换为可编程模块11可配置为接收的电平信号，当PWM信号为高电平时表示开通，当PWM信号为低电平时表示关断；故障信号输出模块17设置为将半导体开关器件发生的短路故障或驱动板故障经可编程模块11反馈至系统中的控制器15。
在一实施例中，参照如图1所示，所述门极主动控制电路还包括主推挽电路18；
所述主推挽电路18连接于所述可编程模块11的输出端连接，所述主推挽电路18的输出端与所述半导体开关器件的门极连接；
所述可编程模块11，还设置为输出开关命令信号至所述主推挽电路18；
所述主推挽电路18，设置为将所述开关命令信号转换至门极驱动电平信号，配置为驱动所述半导体开关器件。
本实施例中，参照如图5所示，所述主推挽电路18包括第一预驱动电路、第二预驱动电路、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第六电阻R6和第七电阻R7；
所述第一预驱动电路的输入端和所述第二预驱动电路输入端均与所述可编程模块11的输出端连接，所述第一预驱动电路的输出端与所述第二晶体管Q2的基极连接，所述第二预驱动电路的输出端与所述第三晶体管Q3的基极连接，所述第二晶体管Q2的集电极连接电源电压端，所述第二晶体管Q2的发射极与所述第六电阻R6的第一端连接，所述第三晶体管Q3的集电极接地，所述第三晶体管Q3的发射极与所述第七电阻R7的第一端连接，所述第六电阻R6的第二端和所述第七电阻R7的第二端连接且与所述半导体开关器件的门极连接。
进一步地，主推挽电路18设置为驱动半导体开关器件，将可编程模块11输出的开关信号gon，goff转换为能够驱动半导体开关器件的电平信号VGS。主推挽电路18中由互补对称的第二晶体管Q2、第二晶体管Q2、第一预驱动电路和第二预驱动电路组成，第六电阻R6为门极开通电阻，第七电阻R7为门极关断电阻。第二晶体管Q2的集电极接Vcc，第二晶体管Q2的发射极接门极开通电阻的一端，第二晶体管Q2的基极接第一预驱动电路的输出端；第三晶体管Q3的集电极接地Vee，第三晶体管Q3的发射极接门极关断电阻的一端，第三晶体管Q3的基极连接第二预驱动电路的输出端；当可编程模块11输出的开关信号gon为高电平时，第二晶体管Q2开通，当可编程模块11输出的开关信号gon为低电平时，第二晶体管Q2关断；当可编程模块11输出的开关信号goff为高电平时，第三晶体管Q3开通，当可编程模块11输出的开关信号goff为低电平时，第三晶体管Q3关断；需要说明的是，半导体开关器件的门极开通电压为Vcc，可配置为18-20V，门极关断电压为Vee，可配置为-4V。
在一实施例中，参照如图1所示，所述门极主动控制电路还包括短路保护模块19；
所述短路保护模块19的输入端与所述半导体开关器件的漏极连接，所述短路保护模块19的输出端与所述可编程模块11的反馈端连接；
所述短路保护模块19，设置为在所述半导体开关器件发生短路时输出短路信号至所述可编程模块11，配置为对所述半导体开关器件进行短路保护。
本实施例中，参照如图6所示，所述短路保护模块19包括比较器U2、第二二极管D2、第三二极管D3、第八电阻R8和第二电容C2；
所述第三二极管D3的阴极与所述半导体开关器件的漏极连接，所述第三二极管D3的阳极与所述第二二极管D2的阴极连接，所述第二二极管D2的阳极、所述第八电阻R8的第一端、所述第二电容C2的第一端和所述比较器U2的反相输入端连接，且连接于电流源，所述第八电阻R8的第二端和所述第二电容C2的第二端均接地，所述比较器U2的同相输入端为参考电压端，所述比较器U2的输出端与所述可编程模块11的反馈端连接。
进一步地，短路保护模块19设置为半导体开关器件的短路保护，当半导体开关器件发生短路故障时，短路保护模块19将短路信号Vsc发送至可编程模块11，短路保护模块19由比较器U2、电流源Im及相关电路组成。其中第二二极管D2和第三二极管D3串联在一起，第三二极管D3的阴极接半导体开关器件的漏极、第二二极管D2的阴极接第三二极管D3的阳极，第二二极管D2的阳极连接在电流源Im的一端，同时连接比较器U2的反向输入端、第八电阻R8和第二电容C2的一端。第八电阻R8和第二电容C2并联的另一端接地，电流源Im的另一端接电源Vcc，比较器U2的同相输入端接参考电压Vref，比较器U2输出端Vsc连接可编程模块11。当半导体开关器件发生短路故障时，会发生退饱和现象，比较器U2的反向输入电压会高于参考电压Vref，Vsc接由正常的高电平变为低电平。
基于上述实施例，本方案中门极主动控制电路的开通暂态调控可配置为实现开通暂态di/dt控制、开通暂态dv/dt控制、开通暂态电流尖峰控制、以及开通暂态电压、电流振荡抑制。关断暂态调控可配置为实现关断暂态di/dt控制、关断暂态dv/dt控制、关断暂态电压尖峰控制、以及关断暂态电压、电流振荡抑制。软关断调控可配置为保证半导体开关器件在关断短路电流时不被过压击穿。
半导体开关器件的开通暂态调控：主推挽电路18的第二晶体管Q2一直保持开通状态，在半导体开关器件的电流上升阶段或电压下降阶段，控制4选1模拟开关12的第一模拟开关控制信号S1为低电平信号0，第二模拟开关控制信号S2信号为低电平信号0，可配置为将参考电压Vref1接入门极电流调控电路14，此时半导体开关器件的门极电流为Ig＝Igm+Iga，其中Iga由公式(3)计算：
公式(3)：
Figure GDA0003149423030000081
因此控制Vref1的大小及切入时间可配置为在半导体开关器件的开通暂态门极电流，减缓开通速度，从而实现开通暂态行为的调控，开通暂态调控完成后将4选1模拟开关12的第一模拟开关控制信号S1为高电平信号1，第二模拟开关控制信号S2信号为高电平信号1。
半导体开关器件的关断暂态调控：当门极电流调控电路14介入时，半导体开关器件的主推挽电路18的第三晶体管Q3关断；当门极电流调控电路14不介入时，第三晶体管Q3保持开通状态。在半导体开关器件的电压上升阶段或电流下降阶段，控制第一模拟开关控制信号S1为低电平信号0，第二模拟开关控制信号S2信号为高电平信号1，可配置为将参考电压Vref2接入门极电流调控电路14，此时半导体开关器件的门极电流为Ig＝Iga，其中Iga由公式(4)计算：
公式(4)：
Figure GDA0003149423030000082
因此控制Vref2的大小及切入时间可配置为在半导体开关器件的关通暂态门极电流，当门极电流较小时，即可减缓关断速度，从而实现关断暂态行为的调控，关断暂态调控完成后将4选1模拟开关12的第一模拟开关控制信号S1为高电平信号1，第二模拟开关控制信号S2信号为高电平信号1。
半导体开关器件的软关断调控：当半导体开关器件发生短路故障时，在半导体开关器件的整个关断过程中，控制第一模拟开关控制信号S1为高电平信号1，第二模拟开关控制信号S2信号为低电平信号0，可配置为将参考电压Vref3接入门极电流调控电路14，此时半导体开关器件的门极电流为Ig＝Iga，其中Iga由公式(5)计算：
公式(5)：
Figure GDA0003149423030000083
因此控制Vref3的大小及切入时间可配置为控制半导体开关器件的软关断功能，从而实现软关断暂态行为的调控，软关断暂态调控完成后将4选1模拟开关12的第一模拟开关控制信号S1为高电平信号1，第二模拟开关控制信号S2信号为高电平信号1，第三晶体管Q3开通，促使半导体开关器件保持负压关断。
通过上述实施例中控制电位计模块13的输出参考电压Vref1、Vref2和Vref3的切入时间，以此可配置为实现对半导体开关器件的开通暂态调控、关断暂态调控和软关断调控。对于只针对关断暂态调控或开通暂态调控的应用，可配置为在关断暂态或开通暂态的不同时刻切入Vref1和Vref2，可同时实现dv/dt和di/dt的独立控制。如在关断暂态的电压上升阶段切入Vref1可配置为实现dv/dt控制，在关断暂态电流下降阶段切入Vref2可配置为实现di/dt控制。需要说明的是，本方案对半导体开关器件的门极主动控制，具体可配置为是对SICMOSFET、绝缘栅双极性晶体管IGBT。
上述实施例中，门极驱动控制电路的开关暂态阶段通过控制4选1模拟开关12对门极电流控制，可实现半导体开关器件开关暂态电压、电流尖峰及振荡控制，当半导体开关器件发生短路故障时，通过控制4选1模拟开关12还可实现半导体开关器件的软关断。根据不同的应用只需要调节电位计模块13的电压给定即可。本方案降低了半导体开关器件中门极主动控制电路的硬件成本、调试复杂度，同时提升门极主动控制电路的控制灵活性、可靠性。
在一实施例中，参照如图7所示，所述门极主动控制方法包括：
步骤S100，控制可编程模块输出第一模拟开关控制信号和第二模拟开关控制信号；
步骤S200，控制电位计模块输出多路电压参考信号；
步骤S300，根据第一模拟开关控制信号和第二模拟开关控制信号，在不同时刻对多路所述电压参考信号进行选通控制，配置为门极电流调控电路提供参考电压；
步骤S400，对所述半导体开关器件进行开通暂态调控、关断暂态调控和软关断调控，或者对所述半导体开关器件进行关断暂态dv/dt和di/dt调控。
基于上述实施例，根据门极主动控制电路结合门极主动控制方法，对本方案中半导体开关器件的开通暂态调控、关断暂态调控、以及软关断调控进一步说明，第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3的高电平代表开通，低电平代表关断；门极主动控制电路输出的PWM信号的高电平代表半导体开关器件开通，低电平代表半导体开关器件关断；经可编程模块11输出的故障信号的高电平代表输出无故障，低电平代表输出有故障；短路保护模块19Vsc信号的高电平代表半导体开关器件无短路故障，低电平代表半导体开关器件发生短路故障。
在一实施例中，所述对所述半导体开关器件进行开通暂态调控、关断暂态调控和软关断调控的步骤包括：
根据所述半导体开关器件的开通暂态调控，控制所述半导体开关器件的开通暂态行为；
根据所述半导体开关器件的关断暂态调控，控制所述半导体开关器件的关断暂态行为；
根据所述半导体开关器件的软关断调控，控制所述半导体开关器件的短路故障软关断行为。
本实施例中，所述根据所述半导体开关器件的开通暂态调控，控制所述半导体开关器件的开通暂态行为包括：
在所述半导体开关器件的开通延迟阶段，控制所述第一模拟开关控制信号为高电平信号，所述第二模拟开关控制信号为高电平信号；
在所述半导体开关器件的电流上升阶段和电流下降阶段，控制所述第一模拟开关控制信号为低电平信号，所述第二模拟开关控制信号为低电平信号；
在所述半导体开关器件的剩余充电阶段，控制所述第一模拟开关控制信号恢复为高电平信号，所述第二模拟开关控制信号恢复为高电平信号；
根据所述半导体开关器件的开通延迟的参考电压、电流上升阶段的参考电压、电流下降阶段的参考电压和剩余充电阶段的参考电压，对所述半导体开关器件进行开通暂态调控。
具体地，半导体开关器件的开通暂态行为门极调控时序：参照如图8所示，将半导体开关器件的开通过程分为四个阶段：①开通延迟阶段(t0-t1)；②电流上升阶段(t1-t2)；③电压下降阶段(t2-t3)；④剩余充电阶段(t3-t4)。
半导体开关器件的开通暂态主动门极调控时序，参照如图9所示，在t0时刻，门极驱动控制电路中输出PWM开通信号后，可编程模块11将主推挽电路18的第三晶体管Q3关断，同时将第二晶体管Q2开通。
第①阶段为开通延迟阶段，不存在电流尖峰及振荡现象，因此门极电流调控电路14不起作用。该阶段4选1模拟开关12的第一模拟开关控制信号S1为高电平信号1，第二模拟开关控制信号S2为高电平信号1，门极电流调控电路14的输入信号Vchref＝0V，输出电流Iga＝0A。
第②阶段和第③阶段由第一晶体管Q1和第二晶体管Q2共同配合通过减缓半导体开关器件的开通速度，抑制开通暂态电流尖峰及振荡现象。该阶段4选1模拟开关12的第一模拟开关控制信号S1为低电平信号0，第二模拟开关控制信号S2为低电平信号0，门极放电电流Ig＝Igm+Iga，门极电流调控电路14的输入信号Vchref＝Vref1，其输出电流可根据公式(3)计算得出。
第④阶段半导体开关器件进入饱和过程，门极需要进一步充电，该阶段门极电流调控电路14不起作用，4选1模拟开关12的第一模拟开关控制信号S1恢复至高电平信号1，第二模拟开关控制信号S2恢复至高电平信号1。
在一实施例中，所述根据所述半导体开关器件的关断暂态调控，控制所述半导体开关器件的关断暂态行为包括：
在所述半导体开关器件的关断延迟阶段，控制所述第一模拟开关控制信号为高电平信号，所述第二模拟开关控制信号为高电平信号；
在所述半导体开关器件的电流上升阶段和电流下降阶段，控制所述第一模拟开关控制信号为低电平信号，所述第二模拟开关控制信号为高电平信号；
在所述半导体开关器件的电流拖尾阶段，控制所述第一模拟开关控制信号恢复为高电平信号，所述第二模拟开关控制信号恢复为高电平信号；
根据所述半导体开关器件的关断延迟的参考电压、电流上升阶段的参考电压、电流下降阶段的参考电压和电流拖尾阶段的参考电压，对所述半导体开关器件进行开通暂态调控。
具体地，半导体开关器件的关断暂态行为门极调控时序：参照如图10所示，将半导体开关器件的关断过程分为四个阶段：⑤关断延迟阶段(t5-t6)；⑥电压上升阶段(t6-t7)；⑦电流下降阶段(t7-t8)；⑧电流拖尾阶段(t8-t9)。
半导体开关器件的关断暂态主动门极调控时序，参照如图11所示，在t5时刻，系统输出PWM关断信号后，可编程模块11将主推挽电路18的第二晶体管Q2关断，同时将第三晶体管Q3打开。
第⑤阶段为关断延迟阶段，不存在电流尖峰及振荡现象，因此门极电流调控电路14不起作用。该阶段4选1模拟开关12的第一模拟开关控制信号S1为高电平信号1，第二模拟开关控制信号S2为高电平信号1，门极电流调控电路14的输入信号Vchref＝0V，输出电流Iga＝0A。
第⑥阶段和第⑦阶段分别为电压上升阶段和电流下降阶段，该阶段将第三晶体管Q3关断，通过控制第一晶体管Q1的电流，减缓半导体开关器件的关断速度，从而抑制关断暂态电压尖峰及振荡现象。该阶段4选1模拟开关12的第一模拟开关控制信号S1为低电平信号0，第二模拟开关控制信号S2为高电平信号1，门极电流Ig＝Iga，门极电流调控电路14的输入信号Vchref＝Vref2，输出电流可根据公式(4)计算得出。
第⑧阶段半导体开关器件进入关断过程，门极需要进一步放电，因此门极电流调控电路14不起作者用，该阶段模拟开关的第一模拟开关控制信号S1恢复至高电平信号1，第二模拟开关控制信号S2恢复至高电平信号1。
在一实施例中，所述根据所述半导体开关器件的软关断调控，控制所述半导体开关器件的短路故障软关断行为包括：
控制所述半导体开关器件正常开通，所述第一模拟开关控制信号恢复为高电平信号，所述第二模拟开关控制信号恢复为高电平信号；
在所述半导体开关器件发生短路故障时，控制所述第二模拟开关控制信号由高电平信号转换为低电平信号，配置为进入所述半导体开关器件的软关断阶段；
在所述半导体开关器件的软关断完成阶段，控制所述第一模拟开关控制信号恢复为高电平信号，所述第二模拟开关控制信号恢复为高电平信号；
根据所述半导体开关器件的关正常开通的参考电压、发生短路故障时的参考电压和软关断完成阶段的参考电压，对所述半导体开关器件进行短路故障软关断调控。
具体地，半导体开关器件的短路故障软关断门极调控时序：参照如图12所示，在t1时刻半导体开关器件正常开通，不考虑门极开通暂态调控，当半导体开关器件完全开通后，第二晶体管Q2开通，第一晶体管Q1和第三晶体管Q3处于关断状态。
在t2时刻半导体开关器件发生短路故障，短路保护模块19输出信号Vsc变为低电平，可编程模块11接收到短路故障信号后，将短路故障信号变为低电平，并由故障信号输出模块17输出至系统中的控制器15；将主推挽电路18的第二晶体管Q2关断，第三晶体管Q3继续保持关断状态；控制4选1模拟开关12的第一模拟开关控制信号S1的高电平信号1保持不变，第二模拟开关控制信号S2的高电平信号1变为低电平信号0，门极电流调控电路14的输入电压变为Vref3，第一晶体管Q1开通，半导体开关器件进入软关断过程，门极放电电流Ig＝Iga，Iga由公式(5)决定：
在t3时刻软关断完成，4选1模拟开关12的第一模拟开关控制信号S1恢复至高电平信号1，第二模拟开关控制信号S2恢复至高电平信号1，同时将主推挽电路18的第三晶体管Q3打开，此时半导体开关器件的栅-源电压最后稳定在Vee，保持关断状态。在t4时刻故障信号恢复至默认高电平。
在一实施例中，所述对所述半导体开关器件进行关断暂态dv/dt和di/dt调控的步骤包括：
在所述半导体开关器件的电流上升阶段，控制所述第一模拟开关控制信号为低电平信号，所述第二模拟开关控制信号为低电平信号；
在所述半导体开关器件的电流下降阶段，控制所述第一模拟开关控制信号为低电平信号，所述第二模拟开关控制信号为高电平信号；
根据所述半导体开关器件的电流上升阶段的参考电压和所述半导体开关器件的电流下降阶段的参考电压，对所述半导体开关器件进行关断暂态dv/dt和di/dt调控。
具体地，参照如图13的时序图所示，本方案对于半导体开关器件的调控，是对于关断暂态dv/dt和di/dt独立控制，也即只针对半导体开关器件的关断暂态调控，具体关断波形参照如图10所示。具体地，第⑤阶段和第⑧阶段由主推挽电路18的第三晶体管Q3控制半导体开关器件的关断过程，门极电流调控电路14不起作用。在半导体开关器件关断暂态的电压上升阶段，即第⑥阶段控制4选1模拟开关12第一模拟开关控制信号S1为低电平信号0，第二模拟开关控制信号S2为低电平信号0，该阶段门极电流的调控电压为Vref1，门极电流Ig可根据公式(6)计算得出：
公式(6)：
Figure GDA0003149423030000121
在关断暂态的电流下降阶段，即第⑦阶段控制4选1模拟开关12第一模拟开关控制信号S1为低电平信号0，第二模拟开关控制信号S2为高电平信号1，该阶段门极电流的调控电压为Vref2，门极电流Ig可根据公式(7)计算：
公式(7)：
Figure GDA0003149423030000122
通过控制第⑥阶段和第⑦阶段的电压Vref1和Vref2大小调节，即可实现关断暂态dv/dt和di/dt的独立控制。
本申请还提出一种SiC MOSFET门极主动控制系统，所述SiC MOSFET门极主动控制系统包括存储器、控制器、存储在所述存储器上并可在所述控制器上运行的门极主动控制程序及如上所述的门极主动控制电路，所述控制器与所述门极主动控制电路的可编程模块互相连接，所述门极主动控制程序被所述控制器执行时实现如上所述的门极主动控制方法的步骤。
该门极主动控制电路的具体结构参照上述实施例，由于本SiC MOSFET门极主动控制系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

Claims (16)

1.一种门极主动控制电路，设置为半导体开关器件的门极主动控制，其中，所述门极主动控制电路包括：可编程模块、电位计模块、4选1模拟开关和门极电流调控电路；
所述可编程模块的输出端与所述半导体开关器件的门极连接，所述电位计模块的输入端连接电源电压端，所述电位计模块的输出端与所述4选1模拟开关的输入端连接，所述可编程模块的控制端与所述4选1模拟开关的受控端连接，所述4选1模拟开关的输出端与所述门极电流调控电路的输入端连接，所述门极电流调控电路的输出端与所述半导体开关器件的门极连接；
所述可编程模块，设置为输出第一模拟开关控制信号和第二模拟开关控制信号至所述4选1模拟开关；
所述电位计模块，设置为输出多路电压参考信号，配置为经所述4选1模拟开关给定至所述门极电流调控电路；
所述4选1模拟开关，设置为在不同时刻对多路所述电压参考信号进行选通控制，配置为所述门极电流调控电路提供参考电压；
所述门极电流调控电路，设置为对所述半导体开关器件进行开通暂态调控、关断暂态调控、以及软关断调控。
2.如权利要求1所述的门极主动控制电路，其中，所述电位计模块包括3路电压给定电路；
每一所述电压给定电路具有一可调电阻，所述可调电阻的第一端连接电源电压端，所述可调电阻的第二端接地；
各所述电压给定电路，设置为输出一电压参考信号至所述4选1模拟开关。
3.如权利要求1所述的门极主动控制电路，其中，所述4选1模拟开关包括4个输入端、2个受控端和1个输出端；
3个所述输入端分别与所述电位计模块的输出端连接，一所述输入端接地，2个所述受控端分别与所述可编程模块的控制端连接，所述输出端与所述门极电流调控电路的输入端连接。
4.如权利要求1所述的门极主动控制电路，其中，所述门极电流调控电路包括第一二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第一晶体管和运算放大器；
所述第一二极管的阳极与所述半导体开关器件的门极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与所述第一晶体管的集电极连接，所述第一晶体管的发射极接地，所述第一晶体管的基极与所述第二电阻的第二端连接，所述第二电阻的第一端、所述第三电阻的第二端和所述第一电容的第二端均与所述运算放大器的输出端连接，所述第三电阻的第一端、所述第一电容的第一端和所述第四电阻的第二端均与所述运算放大器的反相输入端连接，所述第四电阻的第一端接地，所述第五电阻的第一端与所述4选1模拟开关的输出端连接，所述第五电阻的第二端与所述运算放大器的同相输入端连接。
5.如权利要求1所述的门极主动控制电路，其中，所述门极主动控制电路还包括PWM信号转换模块和故障信号输出模块；
所述PWM信号转换模块和所述故障信号输出模块分别与所述可编程模块连接；
所述PWM信号转换模块，设置为接收PWM信号，并将接收的PWM信号转换成电平信号，配置为输出至所述可编程模块；
所述故障信号输出模块，设置为接收所述半导体开关器件的短路故障信号和/或驱动板故障信号，并输出。
6.如权利要求1所述的门极主动控制电路，其中，所述门极主动控制电路还包括主推挽电路；
所述主推挽电路连接于所述可编程模块的输出端连接，所述主推挽电路的输出端与所述半导体开关器件的门极连接；
所述可编程模块，还设置为输出开关命令信号至所述主推挽电路；
所述主推挽电路，设置为将所述开关命令信号转换至门极驱动电平信号，配置为驱动所述半导体开关器件。
7.如权利要求6所述的门极主动控制电路，其中，所述主推挽电路包括第一预驱动电路、第二预驱动电路、第二晶体管、第三晶体管、第六电阻和第七电阻；
所述第一预驱动电路的输入端和所述第二预驱动电路输入端均与所述可编程模块的输出端连接，所述第一预驱动电路的输出端与所述第二晶体管的基极连接，所述第二预驱动电路的输出端与所述第三晶体管的基极连接，所述第二晶体管的集电极连接电源电压端，所述第二晶体管的发射极与所述第六电阻的第一端连接，所述第三晶体管的集电极接地，所述第三晶体管的发射极与所述第七电阻的第一端连接，所述第六电阻的第二端和所述第七电阻的第二端连接且与所述半导体开关器件的门极连接。
8.如权利要求1所述的门极主动控制电路，其中，所述门极主动控制电路还包括短路保护模块；
所述短路保护模块的输入端与所述半导体开关器件的漏极连接，所述短路保护模块的输出端与所述可编程模块的反馈端连接；
所述短路保护模块，设置为在所述半导体开关器件发生短路时输出短路信号至所述可编程模块，配置为对所述半导体开关器件进行短路保护。
9.如权利要求8所述的门极主动控制电路，其中，所述短路保护模块包括比较器、第二二极管、第三二极管、第八电阻和第二电容；
所述第三二极管的阴极与所述半导体开关器件的漏极连接，所述第三二极管的阳极与所述第二二极管的阴极连接，所述第二二极管的阳极、所述第八电阻的第一端、所述第二电容的第一端和所述比较器的反相输入端连接，且连接于电流源，所述第八电阻的第二端和所述第二电容的第二端均接地，所述比较器的同相输入端为参考电压端，所述比较器的输出端与所述可编程模块的反馈端连接。
10.一种门极主动控制方法，设置为半导体开关器件的门极主动控制，其中，所述门极主动控制方法包括：
控制可编程模块输出第一模拟开关控制信号和第二模拟开关控制信号；
控制电位计模块输出多路电压参考信号；
根据第一模拟开关控制信号和第二模拟开关控制信号，在不同时刻对多路所述电压参考信号进行选通控制，配置为门极电流调控电路提供参考电压；
对所述半导体开关器件进行开通暂态调控、关断暂态调控和软关断调控，或者对所述半导体开关器件进行关断暂态dv/dt和di/dt调控。
11.如权利要求10所述的门极主动控制方法，其中，所述对所述半导体开关器件进行开通暂态调控、关断暂态调控和软关断调控的步骤包括：
根据所述半导体开关器件的开通暂态调控，控制所述半导体开关器件的开通暂态行为；
根据所述半导体开关器件的关断暂态调控，控制所述半导体开关器件的关断暂态行为；
根据所述半导体开关器件的软关断调控，控制所述半导体开关器件的短路故障软关断行为。
12.如权利要求11所述的门极主动控制方法，其中，所述根据所述半导体开关器件的开通暂态调控，控制所述半导体开关器件的开通暂态行为包括：
在所述半导体开关器件的开通延迟阶段，控制所述第一模拟开关控制信号为高电平信号，所述第二模拟开关控制信号为高电平信号；
在所述半导体开关器件的电流上升阶段和电流下降阶段，控制所述第一模拟开关控制信号为低电平信号，所述第二模拟开关控制信号为低电平信号；
在所述半导体开关器件的剩余充电阶段，控制所述第一模拟开关控制信号恢复为高电平信号，所述第二模拟开关控制信号恢复为高电平信号；
根据所述半导体开关器件的开通延迟的参考电压、电流上升阶段的参考电压、电流下降阶段的参考电压和剩余充电阶段的参考电压，对所述半导体开关器件进行开通暂态调控。
13.如权利要求11所述的门极主动控制方法，其中，所述根据所述半导体开关器件的关断暂态调控，控制所述半导体开关器件的关断暂态行为包括：
在所述半导体开关器件的关断延迟阶段，控制所述第一模拟开关控制信号为高电平信号，所述第二模拟开关控制信号为高电平信号；
在所述半导体开关器件的电流上升阶段和电流下降阶段，控制所述第一模拟开关控制信号为低电平信号，所述第二模拟开关控制信号为高电平信号；
在所述半导体开关器件的电流拖尾阶段，控制所述第一模拟开关控制信号恢复为高电平信号，所述第二模拟开关控制信号恢复为高电平信号；
根据所述半导体开关器件的关断延迟的参考电压、电流上升阶段的参考电压、电流下降阶段的参考电压和电流拖尾阶段的参考电压，对所述半导体开关器件进行开通暂态调控。
14.如权利要求11所述的门极主动控制方法，其中，所述根据所述半导体开关器件的软关断调控，控制所述半导体开关器件的短路故障软关断行为包括：
控制所述半导体开关器件正常开通，所述第一模拟开关控制信号恢复为高电平信号，所述第二模拟开关控制信号恢复为高电平信号；
在所述半导体开关器件发生短路故障时，控制所述第二模拟开关控制信号由高电平信号转换为低电平信号，配置为进入所述半导体开关器件的软关断阶段；
在所述半导体开关器件的软关断完成阶段，控制所述第一模拟开关控制信号恢复为高电平信号，所述第二模拟开关控制信号恢复为高电平信号；
根据所述半导体开关器件的关正常开通的参考电压、发生短路故障时的参考电压和软关断完成阶段的参考电压，对所述半导体开关器件进行短路故障软关断调控。
15.如权利要求10所述的门极主动控制方法，其中，所述对所述半导体开关器件进行关断暂态dv/dt和di/dt调控的步骤包括：
在所述半导体开关器件的电流上升阶段，控制所述第一模拟开关控制信号为低电平信号，所述第二模拟开关控制信号为低电平信号；
在所述半导体开关器件的电流下降阶段，控制所述第一模拟开关控制信号为低电平信号，所述第二模拟开关控制信号为高电平信号；
根据所述半导体开关器件的电流上升阶段的参考电压和所述半导体开关器件的电流下降阶段的参考电压，对所述半导体开关器件进行关断暂态dv/dt和di/dt调控。
16.一种SiC MOSFET门极主动控制系统，其中，所述SiC MOSFET门极主动控制系统包括存储器、控制器、存储在所述存储器上并可在所述控制器上运行的门极主动控制程序及如权利要求1至9任意一项所述的门极主动控制电路，所述控制器与所述门极主动控制电路的可编程模块互相连接，所述门极主动控制程序被所述控制器执行时实现如权利要求10至15中任意一项所述的门极主动控制方法的步骤。
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