一种功率半导体器件的驱动电路的制作方法

1.本技术涉及功率半导体器件的驱动电路的技术领域，尤其是涉及一种功率半导体器件的驱动电路。


背景技术：

2.目前，在越来越多的电力电子设备中会用到宽禁带半导体器件，如碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(mosfet，metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)。但如何安全可靠的驱动碳化硅mosfet成为电力电子设备可靠性的关键，目前碳化硅mosfet的驱动电路与绝缘栅双极型晶体管(igbt，insulated gate bipolar transistor)的驱动电路类似，主要包括隔离、电流放大、过流保护等，不同之处主要是驱动电压略有差异。
3.在相关技术中，碳化硅mosfet驱动电路中门极驱动回路存在寄生电感和门极电容，加上密勒效应，门极电压的波形存在振荡，该振荡可能导致碳化硅mosfet开关损耗增加、误开通或者误关断，影响功率半导体器件的工作稳定性。
4.申请内容
5.本技术实施例期望提供一种功率半导体器件的驱动电路，以提高相关技术中功率半导体器件的工作稳定性。
6.本技术的技术方案是这样实现的：
7.一种功率半导体器件的驱动电路，所述驱动电路包括：谐振电路，所述谐振电路包括：谐振电阻，谐振电感和谐振电容，所述谐振电阻和所述谐振电感串联得到串联电路，所述串联电路的一端连接所述驱动电路的隔离器件的输出端，所述串联电路的另一端分别连接所述驱动电路的放大电路的输入端和所述谐振电容的一端，所述谐振电容的另一端连接所述驱动电路的电源的参考地；其中，
8.所述谐振电路处于欠阻尼状态，用于输出所述放大电路的参考电压；其中，所述参考电压为预设变化速率的电压。
9.本技术实施例所提供的功率半导体器件的驱动电路，包括:谐振电路，谐振电路包括：谐振电阻，谐振电感和谐振电容，谐振电阻和谐振电感串联得到串联电路，串联电路的一端连接驱动电路的隔离器件的输出端，串联电路的另一端分别连接驱动电路的放大电路的输入端和谐振电容的一端，谐振电容的另一端连接驱动电路的电源的参考地；其中，谐振电路处于欠阻尼状态，用于输出放大电路的参考电压；其中，参考电压为预设变化速率的电压；也就是说，本技术实施例中，通过在驱动电路的隔离器件的输出端与放大电路的输入端之间增加谐振电路，并且谐振电路工作于欠阻尼状态，如此，实现谐振电路的输出电压为变化速率可控的电压，那么，谐振电路的输出电压，即放大电路的参考电压控制为预设变化速率的电压，从而使得谐振电路为放大电路提供的变化速率可控的参考电压，变化速率可控的参考电压经过放大电路使得功率半导体器件的门极电压也成为变化速率可控的门极电压，进而消除了门极电压的振荡，避免了功率半导体器件的开关损耗，误开通或者误关断，
提高了功率半导体器件的工作稳定性。
附图说明
10.图1为本技术实施例提供的一种可选的功率半导体器件的驱动电路的结构示意图；
11.图2为本技术实施例提供的另一种可选的功率半导体器件的驱动电路的结构示意图；
12.图3为本技术实施例提供的又一种可选的功率半导体器件的驱动电路的结构示意图；
13.图4为本技术实施例提供的再一种可选的功率半导体器件的驱动电路的结构示意图；
14.图5为本技术实施例提供的一种可选的功率半导体器件的驱动电路的实例的结构示意图。
具体实施方式
15.为了更好地了解本技术的目的、结构及功能，下面结合附图，对本技术的一种电机的控制方法、控制系统做进一步详细的描述。
16.本技术的实施例提供一种功率半导体器件的驱动电路，图1为本技术实施例提供的一种可选的功率半导体器件的驱动电路的结构示意图，参照图1所示，该驱动电路可以包括：
17.谐振电路100，谐振电路100包括：谐振电阻11，谐振电感12和谐振电容13，谐振电阻11和谐振电感12串联得到串联电路，串联电路的一端连接驱动电路的隔离器件的输出端，串联电路的另一端分别连接驱动电路的放大电路的输入端和谐振电容13的一端，谐振电容13的另一端连接驱动电路的电源的参考地；其中，
18.谐振电路100处于欠阻尼状态，用于输出放大电路的参考电压；其中，参考电压为预设变化速率的电压。
19.目前，在相关技术中，功率半导体器件的驱动电路存在门极电压振荡的情况，从而导致功率半导体器件的开关损耗增加、误开通或者误关断，影响功率半导体器件工作稳定性，为了提高功率半导体器件的工作稳定性，本技术实施例提供一种rlc电路，即上述谐振电路100，将该谐振电路100设置于隔离器件与放大电路之间，使得谐振电路100的输出为放大电路的输入电压，即参考电压，通过谐振电路100工作于欠阻尼状态，使得谐振电路100输出得到预设变化速率的参考电压。
20.通过增设上述谐振电路100，使得放大电路的参考电压可以根据需要对谐振电路100的各个元器件进行调节以得到变化速率可控的参考电压，从而通过控制放大电路的参考电压来消除门极电压的振荡，进而提高了功率半导体器件的工作稳定性。
21.需要说明的是，上述功率半导体器件可以为mosfet，也可以为碳化硅mosfet，还可以为igbt，这里，本技术实施例对此不作具体限定。
22.其中，上述隔离器件可以为光隔离器件，电容隔离器件，还可以为磁场隔离器件，这里，本技术实施例对此不作具体限定。
23.另外，为了防止功率半导体器件的门极电压过高对功率半导体器件的损耗，图2为本技术实施例提供的另一种可选的半导体功率器件的驱动电路的结构示意图，如图2所示，在一种可选的实施例中，谐振电路100还包括：稳压电路21；稳压电路21的一端连接放大电路的输入端，稳压电路21的另一端连接参考地；其中，
24.稳压电路21用于对参考电压进行钳制，使得参考电压落入预设的电压范围内。
25.这里，在放大电路的输入端与参考地之间设置稳压电压21，使得放大前路的参考电压钳制在预设的电压范围内，这样，通过钳制放大电路的参考电压，能够防止功率半导体器件的门极电压过高所导致的功耗过高和功率半导体器件的承受尖峰电压被损坏的风险。
26.为了实现对参考电压的钳制，在一种可选的实施例中，稳压电路21包括：第一稳压管和第二稳压管；其中，
27.第一稳压管的阳极连接至第二稳压管的阳极相连接，第一稳压管的阴极连接至放大电路的输入端，第二稳压管的阴极连接至参考地。
28.可以理解的是，利用两个稳压管的串联组成稳压电路，示例性的，将两个稳压管的阳极相连接，两个稳压管的阴极分别连接放大电路的输入端和参考地，这样，使得两个稳压管可以对参考电压进行钳制。
29.在实际应用中，通常将参考电压钳制在(1.05-1.1)倍的电源电压，该电源电压可以为第一电源电压或者第二电源电压。
30.为了使得参考电压为预设变化速率的参考电压，可以根据需要对谐振电阻11，谐振电容13和谐振电感13的值进行设置，在一种可选的实施例中，谐振电容13的电容值与，功率半导体器件的门极电容与放大电路中三极管的放大倍数的比值，成正相关。
31.也就是说，由本技术实施例提供的驱动电路的结构可知，谐振电路100的角频率与参考电压的变化速率成正比，那么，可以通过控制谐振电路100的角频率，实现对参考电压的变化速率的控制，具体来说，谐振电路100的角频率的大小可以通过设置谐振电容13，谐振电感12和谐振电阻11的值来确定。
32.其中，针对上述谐振电路100的结构，谐振电容13的电容值主要是与功率半导体器件的门极电容和放大电路三极管的放大倍数有关的，具体来说，谐振电容13的电容值与门极电容与三极管的放大倍数的比值成正相关，可见，功率半导体器件的门极电容与三极管的放大倍数的比值越大，谐振电容13的电容值越大，功率半导体器件的门极电容与三极管的放大倍数越小，谐振电容13的电容值越小。
33.针对谐振电感12的电感值，在一种可选的实施例中，谐振电感12的电感值与，谐振电路100的角频率的平方与谐振电容12的电容值的乘积，成反相关。
34.针对上述谐振电路100的电感值，主要是与谐振电路100的角频率的平方和谐振电容13的电容值有关，具体来说，谐振电路100的电感值与，谐振电路100的角频率的平方与谐振电容13的电容值的乘积成正相关，可见，当谐振电路100的角频率的平方与谐振电容13的电容值的乘积越大，谐振电路100的电感值越小，当谐振电路100的角频率的平方与谐振电容13的电容值的乘积越小，谐振电路100的电感值越小。
35.针对谐振电阻11的电阻值，在一种可选的实施例中，谐振电阻11的电阻值与，谐振电感12的电感值与谐振电容13的电容值的比值的开方与谐振电路100的阻尼比的乘积，成正相关。
36.根据谐振电路100的结构可以得到，谐振电阻11的电阻值与谐振电路100的阻尼比有关，还与谐振电容13的电容值和谐振电感12的电感值有关，计算出谐振电感12的电感值与谐振电容13的电容值之间的比值的开方，谐振电阻11的电阻值与，比值的开方与阻尼比的乘积成正比，可见，谐振电感12的电感值与谐振电容13的电容值之间的比值的开方与阻尼比的乘积越大，谐振电阻11的电阻值越大，谐振电感12的电感值与谐振电容13的电容值之间的比值的开方与阻尼比的乘积越小，谐振电阻11的电阻值越小。
37.另外，针对谐振电路100处于欠阻尼状态，为了将参考电压的控制为预设变化速率的电压，在一种可选的实施例中，谐振电路100的阻尼比大于等于0.2小于等于0.5。
38.也就是说，谐振电阻100的阻尼比为0.2至0.5之间时，能够将参考电压控制为预设变化速率的电压，可以消除门极电压的所存在的振荡，从而提高功率半导体器件的工作稳定性。
39.另外，功率半导体器件除了门极电压存在振荡之外，在功率半导体器件关断的过程中，由于换流回路存在寄生电感，过快的关断速度会导致功率半导体器件承受过高的尖峰电压而损坏，为了防止功率半导体器件承受过高的尖峰电压，图3为本技术实施例提供的又一种可选的功率半导体器件的驱动电路的结构示意图，如图3所示，在一种可选的实施例中，驱动电路300还包括：前馈电路300，前馈电路300包括：瞬态电压抑制二极管31，前馈电容32，第一前馈电阻33，第二前馈电阻34，第一二极管35和第二二极管36；其中，瞬态电压抑制二极管31的阴极连接功率半导体器件的漏极或者集电极，瞬态电压抑制二极管31的阳极连接至前馈电容32的一端，前馈电容32的一端分别连接至第一前馈电阻33的一端与第一二极管35的阳极，第一二极管35的阴极连接第二前馈电阻34的一端，第二前馈电阻34的另一端连接至功率半导体器件的门极，第一前馈电阻33的另一端连接至第二二极管36的阴极，第二二极管36的阳极连接至电源的第二电源；其中，
40.前馈电路300用于在功率半导体器件关断时，对门极电容进行充电以降低门极电压的下降速率；
41.前馈电路300还用于在功率半导体器件导通时，对前馈电容32进行放电。
42.也就是说，上述驱动电路除了包括上述谐振电路100之外，还包括前馈电路300，还前馈电路300总共有三个端口，一个端口是瞬态电压抑制二极管31的阴极，连接功率半导体器件的漏极或者集电极，还有一个端口是第二前馈电阻34的一端，连接至功率半导体器件的门极，还有一个端口为第二二极管36的阳极，连接至第二电源，如此作为前馈电路300。
43.这里，需要说明的是，上述第二二极管36的阳极可以连接至第二电源的正极，也可以连接至第二电源的负极，本技术实施例对此不作具体限定。
44.其中，以功率半导体器件为碳化硅mosfet为例来说，当功率处半导体器件关断时，功率半导体器件的漏源电压超过瞬态电压抑制二极管31的击穿电压之后，则会有电流流经前馈电容32，并通过第一二极管35和第二前馈电阻34为门极电容充电，从而使得门极电压下降速度变慢，从而抑制碳化硅mosfet的漏源电压出现尖峰而损坏碳化硅mosfet。
45.另外，当碳化硅mosfet导通时，前馈电容32通过瞬态电压抑制二极管31、碳化硅msofet、第二电源、第二二极管36和第一前馈电阻33进行放电，从而使得功率半导体器件关断时前馈电容上的电流较大，能够提高功率半导体器件在关断时门极电容的充电速度，从而有效地实现下一次功率半导体器件关断时对漏源电压的抑制。
46.其中，当功率半导体器件为mosfet或者碳化硅mosfet时，瞬态电压抑制二极管31的阴极连接mosfet或者碳化硅mosfet的漏极，当功率半导体器件为igbt时，瞬态电压抑制二极管31的阴极连接igbt的集电极。
47.上述前馈电路300主要是通过在功率半导体器件关断时对前馈电容32充电来降低门极电压的下降速度，基于此，为了进一步地使得门极电压的下降速度变慢，图4为本技术实施例提供的再一种可选的功率半导体器件的驱动电路的结构示意图，如图4所示，在一种可选的实施例中，前馈电路300还包括：三极管41，第三二极管42，第三前馈电阻43和第四前馈电阻44；其中，
48.第三前馈电阻43设置于第一前馈电阻33和第二二极管36之间，三极管41的基极连接至第一前馈电阻33和第三前馈电阻43连接点，三极管41的集电极连接至电源的第一电源的正极，三极管41的发射极连接至第二二极管36的阴极，第四前馈电阻44的一端连接至第三二极管42的阳极，第四前馈电阻44的另一端连接至三极管41的发射极，第三二极管42的阴极连接至谐振电容13的一端；
49.前馈电路300用于在功率半导体器件关断时，三极管41放大后的电流流经第四前馈电阻44和第三二极管42后对谐振电容13进行充电，以降低参考电压的下降速率。
50.可以理解的是，在前馈电路300中增设三极管41，该三极管41用于在功率半导体器件关断时，对基极电流进行放大，放大后的电流流经第四前馈电阻44和第三二极管42后流向谐振电容13，从而对谐振电容13进行充电，使得参考电压的下降速度变慢，进而使得门极电压的下降速度变慢，以此防止功率半导体器件过高的尖峰电压而损坏。
51.最后，为了使得三极管能够对基极电流进行放大，在一种可选的实施例中，前馈电路还包括：第四二极管；其中，
52.第四二极管的阳极连接至三极管的基极，第四二极管的阴极连接至三极管的集电极；
53.第四二极管用于将三极管的基极电压钳位至第一电源的电源电压。
54.也就是说，通过在前馈电路300中增设第四二极管，具体地，将第四二极管的增设至三极管41的基极和集电极之间，使得第四二极管用于将三极管41的基极电压钳制到第一电源的电压，从而使得三极管41能够导通，并能够对流经基极的电流进行放大，从而实现对谐振电容的充电。
55.下面举实例来对上述一个或多个实施例所述的功率半导体器件的驱动电路进行说明。
56.图5为本技术实施例提供的一种可选的功率半导体器件的驱动电路的实例的结构示意图，如图5所示，功率半导体器件为碳化硅mosfet，用m1表示，第一电源为v1，第二电源为v2，m1的门极连接放大电路的输出端，该放大电路是有三极管q1，三极管q2，开通电阻r3和关断电阻r4组成的推挽式放大电路，v1和v2的负极均连接电源的参考地，其中，v1和v2为驱动电路供电电源，m1的源极连接至参考地，m1的漏极连接至三相逆变电路中的u相下桥。
57.另外，为了提高m1的工作稳定性，在图5中，该驱动电路还包括：rlc谐振级电路(相当于上述谐振电路)和dv/dt前馈控制级电路(相当于上述前馈电路)。
58.其中，vin作为谐振电路的输入电压，为光耦输出的控制电压信号，范围为-5v到 15v；参考电压vref为由r1、l1和c1组成的rlc谐振电路输出电压，zd1和zd2为稳压管；q1和
q2组成放大级电路，r3和r4分别为门极驱动的开通电阻和关断电阻；瞬态抑制二极管tvs2用于门极保护；瞬态抑制二极管tvs1、c2、d2、r5、r6、r7、q3、d4、r2、d1构成dv/dt前馈控制级电路。
59.针对rlc谐振级电路来说，工作原理如下：
60.由rlc谐振级电路工作在欠阻尼状态，阻尼比δ在0.2～0.5之间，vref的过冲电压大约为20％～50％；zd1和zd2将vref箝位在(1.05～1.1)倍的v1或v2电源电压，可以先根据m1的开关速度和损耗情况确定vref的上升和下降斜率，则rlc谐振电路的角频率为：
[0061][0062]
其中，ωn表示角频率，δ表示阻尼比。
[0063]
若ciss为m1的门极电容，β为q1和q2的放大倍数，则
[0064]
c1＝(5～10)
·
ciss/β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0065][0066][0067]
针对放大级电路(相当于上述放大电路)来说，工作原理如下：
[0068]
放大级电路由q1、q2、r3和r4组成，其中，r3为门极驱动的开通电阻，用于控制m1的开通时间；r4为门极驱动的关断电阻，用于控制m1的关断时间；放大级电路的输入为参考电压vref，vg为放大级电路的输出电压，也即m1的门极电压，根据图5中电路的结构可知，
[0069]
vg＝vref vbe
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0070]
其中，vbe为q1或q2的基极电压；q1和q2组成推挽放大电路，用于将rlc谐振级的输出电流放大并驱动m1。
[0071]
针对dv/dt前馈控制级电路来说，工作原理如下：
[0072]
若m1的换流回路的寄生电感为ls，漏源电流为id，漏源电压为vds，m1的跨导为gm，门极开启电压为vth，则由下式(6)可知，当寄生电感一定时，漏源电压尖峰vds与门极电压vg下降速度成正比。
[0073][0074]
dv/dt前馈控制级电路由瞬态抑制二极管tvs1、c2、d2、r5、r6、r7、q3、d4、r2、d1构成。当m1关断时，m1的漏源电压超过tvs1的击穿电压后，则会由电流流过c2，该电流一部分通过d2、r5为m1的门极电容充电，使vg下降速度变慢；另一部分则通过r6为q3提供基极电流，该部分电流经过q3放大后，再通过r2和d1为c1充电，使vref下降速度变慢，而vref经过放大级后进一步使vg电压下降速度变慢，从而抑制漏源电压尖峰，防止m1过电压。
[0075]
其中，d4用于将q3的基极电位箝位到电源v1；当m1导通时，c2通过tvs1、m1、v2、d3、r7和r6进行放电，从而可以进行下一次关断时的dv/dt反馈，并且根据基尔霍夫电压定律，下式成立：
[0076][0077]
其中，re为反馈电流流过c2后到电源地的等效电阻，因此反馈电流可以由下式得到：
[0078][0079]
综上可知，通过前级的rlc谐振电路，可以产生斜率可控的参考电压波形，消除振荡和延迟；后级的漏极dv/dt电压前馈电路可以根据漏极电压尖峰快速调整门极电压，从而降低碳化硅mosfet的关断速度，确保关断电压尖峰在合理范围之内，有效防止器件过压。
[0080]
本技术实施例所提供的功率半导体器件的驱动电路，包括:谐振电路，谐振电路包括：谐振电阻，谐振电感和谐振电容，谐振电阻和谐振电感串联得到第一串联电路，第一串联电路的一端连接驱动电路的隔离器件的输出端，第一串联电路的另一端分别连接驱动电路的放大电路的输入端和谐振电容的一端，谐振电容的另一端连接驱动电路的电源的参考地；其中，谐振电路处于欠阻尼状态，用于输出放大电路的参考电压；其中，参考电压为预设变化速率的电压；也就是说，本技术实施例中，通过在驱动电路的隔离器件的输出端与放大电路的输入端之间增加谐振电路，并且谐振电路工作于欠阻尼状态，如此，实现谐振电路的输出电压为变化速率可控的电压，那么，谐振电路的输出电压，即放大电路的参考电压控制为预设变化速率的电压，从而使得谐振电路为放大电路提供的变化速率可控的参考电压，变化速率可控的参考电压经过放大电路使得功率半导体器件的门极电压也成为变化速率可控的门极电压，进而消除了门极电压的振荡，避免了功率半导体器件的开关损耗，误开通或者误关断，提高了功率半导体器件的工作稳定性。
[0081]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0082]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0083]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0084]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0085]
以上所述，仅为本技术较佳实施例而已，并非用于限定本技术的保护范围。