CN114362491A - 阻性负载碳化硅mosfet半桥串扰电压峰值计算方法 - Google Patents

Abstract

阻性负载下的碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法，包括：在上桥器件导通后，联立上桥驱动回路和主功率回路KVL方程获得上桥栅压表达式；应用饱和区电流公式获得上桥漏电流表达式；基于损耗守恒将下桥驱动电阻等效至漏源极支路，根据等效后下桥器件与负载组成回路的KVL方程获得下桥漏源电压表达式；根据下桥驱动回路KVL方程获得串扰电压表达式，对串扰电压表达式求最值获得串扰电压峰值。本发明每个步骤均只存在单变量，实现了阻性负载下，上下桥器件驱动电压、母线电压量的解耦，获得了阻性负载下串扰电压峰值表达式；本发明可有效评估阻性负载下串扰电压的影响因素，并对保证下桥器件安全运行的参数选取范围给出指导和建议。

Description

阻性负载碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法

技术领域

本发明涉及一种计算方法，尤其是涉及一种阻性负载下的碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法。

背景技术

功率半导体器件在电力电子技术领域一直占据着重要地位。相比传统的硅基器件，碳化硅MOSFET具有可耐受更高温度和电压等级、导通损耗更低和开关速度更快等一系列优势。电压等级为600V～1700V的碳化硅MOSFET已经在可再生能源发电、轨道交通、电动汽车等诸多工业领域具有广泛应用。半桥结构是碳化硅MOSFET应用中十分常见的一种拓扑结构。当上桥器件开通时，变化的电压电流通过栅漏极寄生电容和共源极寄生电感在下桥的栅源极耦合出压降，这一现象被称为串扰现象，耦合出的栅源极压降为串扰电压。串扰问题会对碳化硅MOSFET半桥结构的安全稳定运行产生威胁，若串扰电压超过器件阈值电压，则会导致误开通，产生较大的电流，增加损耗甚至损坏器件；若串扰电压低于器件最低耐受栅压，则会影响器件的安全可靠运行。相比传统的硅基器件，碳化硅MOSFET具有更低的阈值电压和更快的开关速度，其半桥结构的串扰问题也就更为严重。因此，建立准确的串扰电压峰值计算方法，进而对各个影响因素进行定量分析，给出器件安全运行的参数选取范围，这对于碳化硅MOSFET半桥结构的可靠运行十分重要。

感性负载和阻性负载为碳化硅MOSFET器件工作的两种常见负载工况，由于负载不同，串扰电压产生的阶段及严重程度也不同。现有串扰电压峰值的计算方法及影响因素分析均为针对感性负载条件，而阻性负载条件的串扰电压峰值计算方法尚缺。

此外，现有技术，如中国专利申请，其申请号：CN2016106236553，公开号：CN106100297A公开一种基于碳化硅MOSFET的驱动电路，该驱动电路的开通和关断回路经过不同的回路，还包括：四个电容C_{a1_H}、C_{a2_H}、C_{a1_L}和C_{a2_L}，电容C_{a2_H}和C_{a2_L}的作用是减小封装引脚上的共源寄生电感L_S2H和L_S2L的影响；电容C_{a1_H}和C_{a1_L}的作用是在发生串扰时，为碳化硅MOSFET封装内部的结电容C_GDH和C_GDL的充放电电流提供更低阻抗的回路。

申请号：CN2020114435930，公开号：CN112491253A A公开一种S iC MOSFET串扰电压的计算、寄生参数提取和驱动参数整定方法，该发明所构思的技术方案，简化了考虑共源电感的S iC 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。

然而现有技术均是针对感性负载工况，由于阻性负载与感性负载工况下串扰发生过程及严重程度不同，现有技术不能直接应用于阻性负载工况，因此不能获得阻性负载下串扰电压峰值的解析计算方法，同时无法对阻性负载下碳化硅MOSFET半桥结构的可靠运行提供指导和建议。

发明内容

针对阻性负载下串扰电压峰值计算方法缺失的现状，本发明提出了一种器件开通瞬态过程中，阻性负载下碳化硅MOSFET半桥结构的串扰电压峰值计算方法。通过对阻性负载下串扰过程的准确建模，获得器件开通过程中的串扰电压峰值表达式，进行参数影响因素分析。

阻性负载下的碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法，其特征为：所述的碳化硅MOSFET半桥结构如下：

包括上桥器件、下桥器件，以上桥器件作为开关器件，以下桥器件作为受串扰影响器件；所述下桥器件与阻性负载R_load并联；其中，Q₁器件和Q₂器件分别为上桥碳化硅MOSFET和下桥碳化硅MOSFET，R_g1、L_g1、L_d1和L_cs1分别为上桥的驱动电阻、栅极寄生电感、漏极寄生电感和共源极寄生电感，C_gd1、C_gs1和C_ds1分别为上桥器件的栅漏极寄生电容、栅源极寄生电容和漏源极寄生电容；R_g2、L_g2、L_d2和L_cs2分别为下桥的驱动电阻、栅极寄生电感、漏极寄生电感和共源极寄生电感，C_gd2、C_gs2和C_ds2分别为下桥器件的栅漏极寄生电容、栅源极寄生电容和漏源极寄生电容，L_loop为功率回路寄生电感；C_DD为充放电电容，V_DD为母线电压；Q₁的栅压源输出高电平为V_Gon、低电平为V_Goff的脉冲电压；Q₂的栅压源输出值为V_Goff的恒定电压；v_gs1表示上桥器件的栅源电压，v_ds1表示上桥器件的漏源电压，v_gs2表示下桥器件的栅源电压，v_ds2表示下桥器件的漏源电压；

其特征为：包括如下步骤：

步骤一：v_gs1达到阈值电压V_th前，列出上桥驱动回路KVL方程，得到此阶段v_gs1表达式，进一步得到v_gs1达到阈值电压时其一阶微分的值，作为初始条件；v_gs1达到阈值电压后，列出上桥驱动回路KVL方程和主功率回路KVL方程，联立求解得到此阶段v_gs1表达式；

步骤二：利用饱和区电流公式，得到i_d1表达式；

步骤三：基于损耗守恒，将下桥驱动电阻等效至漏源极支路，列出等效电路中Q₂与负载回路KVL方程，与i_d1表达式联立求解，得到v_ds2表达式；

步骤四：列出下桥驱动回路KVL方程，与v_ds2表达式联立求解，得到v_gs2表达式；

步骤五：对v_gs2表达式求导，导数为0时的值即为串扰电压峰值；

其中：v_gs1表示Q₁的栅源电压，i_d1表示Q₁的漏电流，v_ds2表示Q₂的漏源电压，v_gs2表示Q₂的栅源电压，即串扰电压。

本发明还公开一种参数选取方法，其特征为：采用上述的阻性负载下的碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法，得到满足“串扰电压<阈值电压”的参数选取范围，以保证电路安全可靠运行。

与现有技术相比，本发明具有以下优点。

优点一：针对阻性负载下的半桥电路，本专利提出了基于损耗守恒的电阻等效方法，将串扰器件的栅极支路与源极支路合并为一条支路，解耦了工作器件与串扰器件的各电压量，从而获得了阻性负载下串扰电压峰值的解析计算方法。

优点二：依据本专利提出的阻性负载下串扰电压峰值的解析计算方法，可以对串扰电压峰值的各个影响因素进行灵敏度分析，给出器件安全运行的参数选取范围，从而对阻性负载下碳化硅MOSFET半桥结构的可靠运行提供指导和建议。

附图说明

图1为阻性负载下碳化硅MOSFET半桥结构；

图2为阻性负载下串扰电压峰值计算方法流程；

图3为Q₁沟道开启后上桥驱动回路状态；

图4为Q₁沟道开启后下桥驱动回路状态；

图5为下桥回路等效示意图。

具体实施方式

针对阻性负载下串扰电压峰值计算方法缺失的现状，本发明提出了一种器件开通瞬态过程中，阻性负载下碳化硅MOSFET半桥结构的串扰电压峰值计算方法。通过对阻性负载下串扰过程的准确建模，获得器件开通过程中的串扰电压峰值表达式，进行参数影响因素分析。

求解阻性负载下串扰电压，需要列写各回路的KVL方程并联立求解。以图1所示的阻性负载半桥电路为例，列写的回路方程如下：

其中，v_gs1和v_gs2分别上桥和下桥器件的栅源电压，v_ds1和v_ds2分别为上桥和下桥的漏源电压。式1为关于v_gs1和v_ds1的二阶微分方程，式2为关于v_gs1、v_gs2、v_ds1和v_ds2的二阶微分方程，式3为关于v_gs2和v_ds2的二阶微分方程，四个电压量相互耦合，难以求解，因此，阻性负载下串扰电压峰值估算缺少一种便于求解的方法。

本发明提出了一种电路等效方法，通过解耦回路方程中的变量，使上述方程变得可解，进而得到了阻性负载下串扰电压的峰值解析表达式。

参见附图1所示为阻性负载下碳化硅MOSFET半桥结构，其下桥与阻性负载并联。本发明均以上桥器件作为开关器件、下桥器件作为受串扰影响器件进行阐述。其中，Q₁和Q₂分别为上桥碳化硅MOSFET和下桥碳化硅MOSFET，R_g1、L_g1、L_d1和L_cs1分别为上桥的驱动电阻、栅极寄生电感、漏极寄生电感和共源极寄生电感，C_gd1、C_gs1和C_ds1分别为上桥器件的栅漏极寄生电容、栅源极寄生电容和漏源极寄生电容，R_g2、L_g2、L_d2和L_cs2分别为下桥的驱动电阻、栅极寄生电感、漏极寄生电感和共源极寄生电感，C_gd2、C_gs2和C_ds2分别为下桥器件的栅漏极寄生电容、栅源极寄生电容和漏源极寄生电容，L_loop为功率回路寄生电感，C_DD为充放电电容，V_DD为母线电压。Q₁的栅压源输出高电平为V_Gon、低电平为V_Goff的脉冲电压；Q₂的栅压源输出值为V_Goff的恒定电压。

本发明提出的阻性负载下的碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法流程如图2所示。

其中，v_gs1表示Q₁的栅源电压，i_d1表示Q₁的漏电流，v_ds2表示Q₂的漏源电压，v_gs2表示Q₂的栅源电压(即串扰电压)。应用本发明提出的阻性负载下串扰电压峰值估算方法，主要有以下步骤。

步骤一：v_gs1达到阈值电压V_th前，列出上桥驱动回路KVL方程，得到此阶段v_gs1表达式，进一步得到v_gs1达到阈值电压时其一阶微分的值，作为初始条件；v_gs1达到阈值电压后，列写上桥驱动回路KVL方程和主功率回路KVL方程，联立求解得到此阶段v_gs1表达式。

步骤二：利用饱和区电流公式，得到i_d1表达式。

步骤三：基于损耗守恒，将下桥驱动电阻等效至漏源极支路，列写等效电路中Q₂与负载回路KVL方程，与i_d1表达式联立求解，得到v_ds2表达式。

步骤四：列写下桥驱动回路KVL方程，与v_ds2表达式联立求解，得到v_gs2表达式。

步骤五：对v_gs2表达式求导，导数为0时的值即为串扰电压峰值。

下面，对各个步骤进行详细的阐述。以t₀为开始时刻，t₁为Q₁开始导通时刻,g_fs表示Q₁的跨导，R表示负载电阻的值。

步骤一：v_gs1达到阈值电压前，Q₁沟道未开启，栅压源给C_gd1和C_gs1充电，忽略L_g1和L_cs1，对上桥驱动回路列写KVL方程：

解得：

v_gs1＝(V_Goff-V_Gon)e^-r0(t-t0)+V_Gon (5)

其中r₀＝1/R_g1(C_gs1+C_gd1),根据式5求得

作为初始条件。

v_gs1达到阈值电压后，Q1沟道开始流过电流i_ch，此时上桥驱动回路状态如下图所示。

其中，i_g1为C_gd1和C_gs1的充电电流之和，i_ch为饱和区沟道电流，分别用式6和式7表示。

i_ch＝g_fs(v_gs1-V_th) (7)

列写上桥驱动回路KVL方程：

联立式6、式7和式8，得到式9，关于vgs1和vds1的一阶微分方程：

再列写主功率回路的KVL方程：

将式7代入式10，得到式11，同样为关于v_gs1和v_ds1的一阶微分方程：

联立式9和式11，并代入步骤一中的初始条件，解得v_gs1表达式：

v_gs1＝c₁e^r1(t-t1)+c₂e^r2(t-t1)+V_Gon (12)

其中，

由于一般情况下r₂<<r₁，c₂<c₁，v_gs1表达式中的第二项可忽略不计，得到v_gs1简化的表达式：

v_gs1＝c₁e^r1(t-t1)+V_Gon (13)

步骤二：将式13代入式7，得到i_ch表达式，近似认为i_ch即为i_d1：

i_d1＝i_ch＝g_fs(c₁e^r1(t-t1)+V_Gon-V_th) (14)

步骤三：下桥驱动回路如图4所示。

首先对下桥器件寄生电容进行星三角变换，然后对驱动回路进行如下等效，使下桥的栅极支路与源极支路合并为一条支路。

星三角变换后的寄生电容用式15表示：

由于C_d2远小于C_g2和C_s2，故C_d2与其他电容串联时起主导作用，可认为等效电容C_eq为C_d2和C_s2的串联，且C_eq上的压降即为v_ds2，即：

C_eq＝C_d2C_s2/(C_d2+C_s2) (16)

将下桥栅极支路上的驱动电阻等效至漏源极支路，遵循的原则为等效前后电路损耗一致。为使等效前后电路损耗一致，等效电阻R_eq用式18表示：

其中，

等效电阻R_eq反映了驱动回路R_g2、L_cs2等参数的影响。再对等效后的回路列写KVL方程：

联立式14、式17和式19，解得：

v_ds2＝ke^r1(t-t1)+c₃e^r3(t-t1)+c₄e^r4(t-t1)+Rg_fs(V_Gon-V_th) (20)

其中，

步骤四：求解v_gs2时，流过下桥的电流i_d2不可忽略。对下桥驱动回路列写KVL方程：

其中

联立式20和式21，解得：

v_gs2＝k₁e^r1(t-t1)+k₃e^r3(t-t1)+k₄e^r4(t-t1)+c₅e^r5(t-t1)+c₆e^r6(t-t1)+V_Goff

(22)

其中，

一般情况下，r3<<r1，r4<<r1，r6<<r1，且k3<k1，k4<k1，k6<k1，故式18中的第二项、第三项和第五项可以忽略，得到：

v_gs2＝k₁e^r1(t-t1)+c₅e^r5(t-t1)+V_Goff (23)

步骤五：v_gs2对时间t求导，得：

时，v_gs2导数为0。将此时间代入式23，即得到v_gs2峰值：

上述串扰电压峰值表达式根据步骤一至步骤五所述的器件开通过程及串扰发生过程得到，包含R_g1、R_g2、L_cs2等外电路参数和C_gs2、C_gd2等器件参数，反映了真实工况。此表达式可用于以下需求：

(1)分析器件参数或外电路参数对串扰电压的影响。如欲分析R_g2对串扰电压的影响，给定其余所需参数，代入不同的R_g2可得到对应的串扰电压值，分析串扰电压随R_g2的变化趋势即可得到R_g2对串扰电压的影响。

(2)给出防止由于串扰引起下桥器件误开通的器件参数或者外电路参数选取范围。如已知除R_g2外的所有参数，将所有已知参数代入串扰电压峰值表达式，得到串扰电压关于R_g2的表达式，将R_g2视为自变量，串扰电压视为因变量，列写不等式v_gs2＜V_th，即可得到R_g2的取值范围。

本发明针对阻性负载下的半桥电路，基于对阻性负载下串扰发生完整过程的分析，提出了基于损耗守恒的电阻等效方法，将串扰器件的栅极支路与源极支路合并为一条支路，解耦了工作器件与串扰器件的各电压量，从而获得了阻性负载下串扰电压峰值的解析计算方法。本发明提出的阻性负载下串扰电压峰值计算方法，表达式中包含所有相关的器件参数和外电路参数，可用于串扰电压影响因素分析、判断串扰电压是否会超过阈值电压导致误开通，进而对保证器件安全运行的参数选取范围给出指导和建议。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.阻性负载下的碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法，其特征为：所述的碳化硅MOSFET半桥结构如下：

包括上桥器件、下桥器件，以上桥器件作为开关器件，以下桥器件作为受串扰影响器件；所述下桥器件与阻性负载R_load并联；其中，Q₁器件和Q₂器件分别为上桥碳化硅MOSFET和下桥碳化硅MOSFET，R_g1、L_g1、L_d1和L_cs1分别为上桥的驱动电阻、栅极寄生电感、漏极寄生电感和共源极寄生电感，C_gd1、C_gs1和C_ds1分别为上桥器件的栅漏极寄生电容、栅源极寄生电容和漏源极寄生电容；R_g2、L_g2、L_d2和L_cs2分别为下桥的驱动电阻、栅极寄生电感、漏极寄生电感和共源极寄生电感，C_gd2、C_gs2和C_ds2分别为下桥器件的栅漏极寄生电容、栅源极寄生电容和漏源极寄生电容，L_loop为功率回路寄生电感；C_DD为充放电电容，V_DD为母线电压；Q₁的栅压源输出高电平为V_Gon、低电平为V_Goff的脉冲电压；Q₂的栅压源输出值为V_Goff的恒定电压；v_gs1表示上桥器件的栅源电压，v_ds1表示上桥器件的漏源电压，v_gs2表示下桥器件的栅源电压，v_ds2表示下桥器件的漏源电压；

其特征为：包括如下步骤：

步骤一：v_gs1达到阈值电压V_th前，列出上桥驱动回路KVL方程，得到此阶段v_gs1表达式，进一步得到v_gs1达到阈值电压时其一阶微分的值，作为初始条件；v_gs1达到阈值电压后，列出上桥驱动回路KVL方程和主功率回路KVL方程，联立求解得到此阶段v_gs1表达式；

步骤二：利用饱和区电流公式，得到i_d1表达式；

步骤三：基于损耗守恒，将下桥驱动电阻等效至漏源极支路，列出等效电路中Q₂与负载回路KVL方程，与i_d1表达式联立求解，得到v_ds2表达式；

步骤四：列出下桥驱动回路KVL方程，与v_ds2表达式联立求解，得到v_gs2表达式；

步骤五：对v_gs2表达式求导，导数为0时的值即为串扰电压峰值；

其中：v_gs1表示Q₁的栅源电压，i_d1表示Q₁的漏电流，v_ds2表示Q₂的漏源电压，v_gs2表示Q₂的栅源电压，即串扰电压。

2.根据权利要求1所述的阻性负载下的碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法，其特征为：所述步骤1进一步包括如下内容：

以t₀为开始时刻，t₁为Q₁开始导通时刻。v_gs1达到阈值电压V_th前，Q₁沟道未开启，栅压源给C_gd1和C_gs1充电，忽略L_g1和L_cs1，对上桥驱动回路列写KVL方程：

解得：

其中r₀＝1/R_g1(C_gs1+C_gd1),根据式5求得

作为初始条件；

v_gs1达到阈值电压V_th后，Q1沟道开启，上桥驱动回路KVL方程：

其中：i_g1为C_gd1和C_gs1的充电电流之和，i_ch为饱和区沟道电流；

上桥驱动回路KVL方程：

主功率回路的KVL方程：

则得到v_gs1简化的表达式：

3.根据权利要求1所述的阻性负载下的碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法，其特征为：所述步骤2进一步包括如下内容：利用饱和区电流公式，得到i_d1表达式为：

4.根据权利要求1所述的阻性负载下的碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法，其特征为：所述步骤3进一步包括如下内容：

等效电路中Q₂与负载回路KVL方程：

与i_d1表达式联立求解，得到v_ds2表达式：

其中，

5.根据权利要求1所述的阻性负载下的碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法，其特征为：所述步骤4进一步包括如下内容：下桥驱动回路列写KVL方程：

v_gs2表达式：

6.根据权利要求1所述的阻性负载下的碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法，其特征为：所述步骤5进一步包括如下内容：v_gs2峰值：

7.一种参数选取方法，其特征为：采用权利要求1-6所述的阻性负载下的碳化硅MOSFET半桥串扰电压峰值计算方法，得到满足“串扰电压<阈值电压”的参数选取范围，以保证电路安全可靠运行。

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