宽禁带功率器件的高效高可靠驱动技术2024

目录〔1〕宽禁带功率器件与栅极驱动[2]开关暂态调控技术〔3〕高频无损驱动技术[4]信号-功率复合传输的一体化驱动技术〔5〕总结与展望宽禁带功率器件口电力电子器件的发展经历了以晶闸管为核心的第一阶段、以SiMOSFET和SiIGBT为代表的第二阶段，以及以宽禁带半导体器件为核心的新发展阶段。口宽禁带半导体材料在跃迁能级、饱和漂移速率和导电导热性能方面优势明显，以碳化硅和氮化镓为代表的功率器件因其“三高”优势，为电力电子变换器的发展22全控硅器件半控硅器件第三代电力电子器件应用于高频软开关、谐振电路，工作频率很高、集成程度高第一代电力电子器件应用于相控电路，工作频率低、变流装置体积大第二代电力电子器件应用于高频调制电路，工作频率较高，变换器体积小宽禁带功率器件>根据Yole数据，2025年全球功率器件中SiCMOSFET渗透率将达到11.6%;从2021年的10.9亿美元增长至2027年的63亿美元，年复合增长率为34%。2021年市场规模/(亿美元)2027年市场规模/(亿美元)0.20.2功率器件的栅极驱动口栅极驱动是连接低压控制器和高压大电流功率器件的重要枢纽，为器件提供可靠的开关控制和保护功能。口栅极驱动主要由信号隔离、隔离电源、放大以及状态监测等单元构成。功率装置功率装置~kV~kA功率器件的栅极驱动口低压-小功率栅极控制实现高压大电流功率器件开关的调节：>相互制约，单一尺度的调节无法同时满足不同指标。S开关损耗高Eor电磁干扰问题S开关损耗高Eor电磁干扰问题功率器件的栅极驱动口口栅极驱动是强弱电结合、模-数-功率混合电路系统，在高速切换、高压、大电流的强电磁环境中，容易发生自身故障，并引发功率器件、电力电子装备的损害和恶性故障。驱动信号错误或丢失》》驱动电路中隔离芯片损坏功率器件击穿关键技术目录〔1〕宽禁带功率器件与栅极驱动[2]开关暂态调控技术[3]高频无损驱动技术[4]信号-功率复合传输的一体化驱动技术〔5〕总结与展望优化：开关动态过程的不同阶段决定了器件的损耗和电气应力。>以分段调节实现损耗和电压、电流过冲的降低。GE优化：>开关动态过程的不同阶段决定了器件的损耗和电气应力。>以分段调节实现损耗和电压、电流过冲的降低。压过冲开关暂态调控技术口揭示功率器件开关动态特性是实现暂态调控的关键基础。非线性动态米勒电容是器件栅极与漏源极的主要耦合参数，也是功率器件开关动态过程的重要决定因素。现有建模方法颗粒度大、精度低或依赖大量重复性实验。口提出了物理结构的分段线性的静态以及多参数曲线融合的动态米勒电容解析模型，以及米勒定理的驱动-功率解耦模型。开关特性拟合误差降低60%。优化寄生参数与解耦模型基于米勒定理的的解耦模型基于物理结构与载流子运动的解析模型拟合效果现有拟合方法及问题①优化寄生参数与解耦模型基于米勒定理的的解耦模型基于物理结构与载流子运动的解析模型拟合效果现有拟合方法及问题①数据手册数值提取②结电容模型③实验数值提取开关暂态调控技术SEEE 口传统驱动方法无法定量调控并实现多目标优化、响应速口传统驱动方法无法定量调控并实现多目标优化、响应速度慢。口提出应力与损耗协同优化下器件特性与工况特性自适应的多段式调控方法。口相比传统方法，同时实现过冲降低>30%,损耗降低>70%。现有调控方法及问题现有调控方法及问题①无源调控方法①无源调控方法自适应多段式调控自适应多段式调控f()=f(,E)=a×V+β×E多段式驱动调控方法开关暂态调控技术下的关断瞬态特性确定权重赋值方案。口建立评估函数以求解最佳工作点，实现应力-损耗间的最优平衡调控关断暂态模型f(Var)=f(vm,Em)=α×Vmm+β×E权重赋值最优控制策略流程图开关暂态调控技术口多段式驱动调控方法：>增强型有源电流源驱动方法：通过LC驱动回路的组合与投切，实现驱动电流的调节；利用>双闭环自调节有源驱动电路：采用高带宽跨导型峰值采样电路检测关断暂态电压峰值，并目录[2]开关暂态调控技术[3]高频无损驱动技术[4]信号-功率复合传输的一体化驱动技术高频无损驱动技术口以口以LC谐振过程取代常规RC充电，利用电感与电容能量交互(循环和回馈),有效减小驱动损耗，大幅度降低所需驱动隔离功率与体积，助力驱动的平面集成：谐振驱动谐振驱动口不准确建模将造成驱动时间和驱动损耗的错误估计，进而影响驱动器件选型和参数现有无损驱动的设计方法现有无损驱动的设计方法优化解耦模型优化解耦模型 口因电感电流无法突变，谐振驱动存在驱动速率无法灵活调节的问题。提出了预充电与谐振回路投切的驱动速率调控方法，调节范围覆盖0.27倍-2.3倍。切换控制，实现占空比宽范围调节(0.1-0.88),相同开关频率下，驱动功耗仅为优化无损驱动现有无损驱动的局限性优化无损驱动现有无损驱动的局限性①驱动速率难以调节上双副边绕组切换方法双副边绕组切换方法目录[2]开关暂态调控技术[3]高频无损驱动技术〔5〕总结与展望口驱动信号和驱动功率分开传输，体积大，集成口驱动信号和驱动功率分开传输，体积大，集成度低：>数字隔离器、光纤等作为信号隔离传输介质，存在隔离耐压有限、体积和成本高等不同瓶颈。>隔离电源尺寸与驱动损耗成正比，以保持足够的绝缘距离和低耦合电容口驱动信号-口驱动信号-功率复合传输是减少元器件个数，降低传输延时，提升集成度的关键技术。不需要额外的隔离电源和光纤，使成本和体积大幅降低降低信号传输回路的寄生参数，提高信号完整性提升驱动与功率模块的集成度，助力系统的紧凑化高度集成功率模块高度集成功率模块功率模块集成潜力隔离电源集成隔离驱动驱动芯片流信号-功率分别传输的常规驱动架构L调制复用架构允许驱动信号-功率在一个通道内传输：信号完整驱动信号大驱动信号信号隔离驱动信号大功率信号调制传统分离传输架构整流滤波解调驱动功率有功率隔离隔离变压器复用架构口用同一磁芯实现驱动信号和驱动功率的传输，实现对隔离变压器的复用：口用同一磁芯实现驱动信号和驱动功率的传输，实现对隔离变压器的复用：>缺点：毫瓦级功率驱动信号容易受到瓦级功率传输的干扰。功率变换信号调制驱动信号信号>3000占空比固定为J.Yu.Q.Qian,P.Lin,W.Su占空比固定为J.Yu.Q.Qian,P.Lin,W.SusolatedresonantgmteaymmetricalONOFF2017IEEEAppliedPower口驱动信号调制方式：驱动信号=驱动功率的控制信号，效率高，结构简单，适用于驱动信号频率高，但占空比固定，死区不可调，驱动输出上升沿/下降沿慢。□高频功率PWM信号调制方式：将驱动信号与高频的功率PWM信号调制后进行传输，占空比可控，变压器体积小，但驱动功率输出受限于驱动信号的频率与占空比。J.Garcis,S.Saced.,ECurpCastellazzi,andP.Garcia,"SelfPowcringHiuhFreoucneyModulaDrver,"IFEETansactionsoApplications,vol.55.00.4.pp.3967-3977,2019.口目前复用方法处于初级阶段，信号-功率的传输均存在不同程度的相互制约：口目前复用方法处于初级阶段，信号-功率的传输均存在不同程度的相互制约：信号传输要求功率传输要求·宽频率范围·宽占空比范围·输出电压可控·整体设计简单·大输出功率亟待形成驱动信号和功率非耦合的独立复合传输方法在高度集成的系统中实现高保真的驱动信号和高效的驱动功率传输信道复用技术--时分复用口复用：将若干独立的信号合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信口复用：将若干独立的信号合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号。口时分复用：将信道传输的时间进行划分，分配给不同信号使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。隔离通道隔离通道时分复用WM-W-功率变换信号调制口栅极驱动中时分复用与移动通信中时分复用存在明显差异：移动通信信号传输时隙预先分配，需要时钟同步，数据量大，可允许的信号时延高。栅极驱动信号传输时隙实时控制，无需时钟同步，数据量小，可允许的信号时延低。如何设置信号-功率传输时序以减小传输延时和提高功率传输稳定性LL如何在不增加耦合电下实现信号融合需难点3如何实现双向信号和功率的复合传输□提出一种基于时分复用的功率-信号同传的一体化隔离驱动：驱动信号与功率正向传输：信号经边沿提取调制后，与驱动隔离电源的控制信号，以时序叠加方式进行组合传输；采用脉冲幅度解调方法，实现驱动电平的整流以及驱动信号的重构。>故障信号反向传输：利用输出电压调幅实现保护信号反向传输；通过对开关器件关断电压进行窗口比较实现解调，还原保护信号47Fp基于时分复用的一体化驱动口驱动由四个部分构成：原边电路，隔离板，平面变压器口驱动由四个部分构成：原边电路，隔离板，平面变压器和副边电路。驱动样机尺寸为20mm*17mm*16mm;耦合电容5.6pF,满足50Hz5kVrms交流电压绝缘耐压要求。primaryboard基于时分复用的一体化驱动口驱动信号频率为100kHz,占空比范围：{0%}、[7.5%,92.5%]、{100%},上升沿延时为436ns,下降沿延时为320ns。□SiCMOSFET(C3M0040120K),di/dt最高达5.4A/ns,dv/dt最高达 正向信号传输关键节点波形多脉冲实验波形基于时分复用的一体化驱动口以退饱和(DESAT)实验验证反馈信号的传输： 退饱和(DESAT)实验关键节点波形基于时分复用的一体化驱动11SenseFET,DESAT,andShuntresistors203P4PPositivesupplyrail5P6P7P890AAVVVVoltagewhenOUT(L)=V目录〔1〕宽禁带功率器件与栅极驱动[2]开关暂态调控技术[3]高频无损驱动技术[4]信号-功率复合传输的一体化驱动技术[5]总结与展望总结口驱动是连接低压控制器和高压功率器件的重要枢纽：不仅为功率器件提供高速和可靠开关控制和保护，也是影响电力电子装置高功率密度模块化集成的重要因素。口开关暂态调控技术可有效降低功率器件的电热应力，缓解电磁干扰，是实现器件尽限、可靠应用的关键技术。口谐振驱动可实现更小的驱动损耗和更快驱动速率，是支撑宽禁带功率器件高频化的关键技术。口复合传输的一体化驱动有望实现整个栅极驱动的芯片化集成，是提升驱动功玄宓度并促使由力由子装罟向高功玄宓度模快化发屏的羊键技术展望驱动功率器件2芯片设计晶圆制造品3封装测试应用方案加工未来新技术●低开启电压工艺(12V)●超高耐压截止环技术(6500V及以上)●沟槽工艺技术未来新产品●双面散热SiC功率模块(17