寬禁帶功率器件的高效高可靠驅動技術2024

目錄〔1〕寬禁帶功率器件與柵極驅動[2]開關暫態(tài)調控技術〔3〕高頻無損驅動技術[4]信號-功率復合傳輸的一體化驅動技術〔5〕總結與展望寬禁帶功率器件口電力電子器件的發(fā)展經歷了以晶閘管為核心的第一階段、以SiMOSFET和SiIGBT為代表的第二階段，以及以寬禁帶半導體器件為核心的新發(fā)展階段?？趯捊麕О雽w材料在躍遷能級、飽和漂移速率和導電導熱性能方面優(yōu)勢明顯，以碳化硅和氮化鎵為代表的功率器件因其“三高”優(yōu)勢，為電力電子變換器的發(fā)展22全控硅器件半控硅器件第三代電力電子器件應用于高頻軟開關、諧振電路，工作頻率很高、集成程度高第一代電力電子器件應用于相控電路，工作頻率低、變流裝置體積大第二代電力電子器件應用于高頻調制電路，工作頻率較高，變換器體積小寬禁帶功率器件>根據Yole數據，2025年全球功率器件中SiCMOSFET滲透率將達到11.6%;從2021年的10.9億美元增長至2027年的63億美元，年復合增長率為34%。2021年市場規(guī)模/(億美元)2027年市場規(guī)模/(億美元)0.20.2功率器件的柵極驅動口柵極驅動是連接低壓控制器和高壓大電流功率器件的重要樞紐，為器件提供可靠的開關控制和保護功能?？跂艠O驅動主要由信號隔離、隔離電源、放大以及狀態(tài)監(jiān)測等單元構成。功率裝置功率裝置~kV~kA功率器件的柵極驅動口低壓-小功率柵極控制實現高壓大電流功率器件開關的調節(jié)：>相互制約，單一尺度的調節(jié)無法同時滿足不同指標。S開關損耗高Eor電磁干擾問題S開關損耗高Eor電磁干擾問題功率器件的柵極驅動口口柵極驅動是強弱電結合、模-數-功率混合電路系統(tǒng)，在高速切換、高壓、大電流的強電磁環(huán)境中，容易發(fā)生自身故障，并引發(fā)功率器件、電力電子裝備的損害和惡性故障。驅動信號錯誤或丟失》》驅動電路中隔離芯片損壞功率器件擊穿關鍵技術目錄〔1〕寬禁帶功率器件與柵極驅動[2]開關暫態(tài)調控技術[3]高頻無損驅動技術[4]信號-功率復合傳輸的一體化驅動技術〔5〕總結與展望優(yōu)化：開關動態(tài)過程的不同階段決定了器件的損耗和電氣應力。>以分段調節(jié)實現損耗和電壓、電流過沖的降低。GE優(yōu)化：>開關動態(tài)過程的不同階段決定了器件的損耗和電氣應力。>以分段調節(jié)實現損耗和電壓、電流過沖的降低。壓過沖開關暫態(tài)調控技術口揭示功率器件開關動態(tài)特性是實現暫態(tài)調控的關鍵基礎。非線性動態(tài)米勒電容是器件柵極與漏源極的主要耦合參數，也是功率器件開關動態(tài)過程的重要決定因素?，F有建模方法顆粒度大、精度低或依賴大量重復性實驗?？谔岢隽宋锢斫Y構的分段線性的靜態(tài)以及多參數曲線融合的動態(tài)米勒電容解析模型，以及米勒定理的驅動-功率解耦模型。開關特性擬合誤差降低60%。優(yōu)化寄生參數與解耦模型基于米勒定理的的解耦模型基于物理結構與載流子運動的解析模型擬合效果現有擬合方法及問題①優(yōu)化寄生參數與解耦模型基于米勒定理的的解耦模型基于物理結構與載流子運動的解析模型擬合效果現有擬合方法及問題①數據手冊數值提?、诮Y電容模型③實驗數值提取開關暫態(tài)調控技術SEEE 口傳統(tǒng)驅動方法無法定量調控并實現多目標優(yōu)化、響應速口傳統(tǒng)驅動方法無法定量調控并實現多目標優(yōu)化、響應速度慢?？谔岢鰬εc損耗協(xié)同優(yōu)化下器件特性與工況特性自適應的多段式調控方法?？谙啾葌鹘y(tǒng)方法，同時實現過沖降低>30%,損耗降低>70%?，F有調控方法及問題現有調控方法及問題①無源調控方法①無源調控方法自適應多段式調控自適應多段式調控f()=f(,E)=a×V+β×E多段式驅動調控方法開關暫態(tài)調控技術下的關斷瞬態(tài)特性確定權重賦值方案?？诮⒃u估函數以求解最佳工作點，實現應力-損耗間的最優(yōu)平衡調控關斷暫態(tài)模型f(Var)=f(vm,Em)=α×Vmm+β×E權重賦值最優(yōu)控制策略流程圖開關暫態(tài)調控技術口多段式驅動調控方法：>增強型有源電流源驅動方法：通過LC驅動回路的組合與投切，實現驅動電流的調節(jié)；利用>雙閉環(huán)自調節(jié)有源驅動電路：采用高帶寬跨導型峰值采樣電路檢測關斷暫態(tài)電壓峰值，并目錄[2]開關暫態(tài)調控技術[3]高頻無損驅動技術[4]信號-功率復合傳輸的一體化驅動技術高頻無損驅動技術口以口以LC諧振過程取代常規(guī)RC充電，利用電感與電容能量交互(循環(huán)和回饋),有效減小驅動損耗，大幅度降低所需驅動隔離功率與體積，助力驅動的平面集成：諧振驅動諧振驅動口不準確建模將造成驅動時間和驅動損耗的錯誤估計，進而影響驅動器件選型和參數現有無損驅動的設計方法現有無損驅動的設計方法優(yōu)化解耦模型優(yōu)化解耦模型 口因電感電流無法突變，諧振驅動存在驅動速率無法靈活調節(jié)的問題。提出了預充電與諧振回路投切的驅動速率調控方法，調節(jié)范圍覆蓋0.27倍-2.3倍。切換控制，實現占空比寬范圍調節(jié)(0.1-0.88),相同開關頻率下，驅動功耗僅為優(yōu)化無損驅動現有無損驅動的局限性優(yōu)化無損驅動現有無損驅動的局限性①驅動速率難以調節(jié)上雙副邊繞組切換方法雙副邊繞組切換方法目錄[2]開關暫態(tài)調控技術[3]高頻無損驅動技術〔5〕總結與展望口驅動信號和驅動功率分開傳輸，體積大，集成口驅動信號和驅動功率分開傳輸，體積大，集成度低：>數字隔離器、光纖等作為信號隔離傳輸介質，存在隔離耐壓有限、體積和成本高等不同瓶頸。>隔離電源尺寸與驅動損耗成正比，以保持足夠的絕緣距離和低耦合電容口驅動信號-口驅動信號-功率復合傳輸是減少元器件個數，降低傳輸延時，提升集成度的關鍵技術。不需要額外的隔離電源和光纖，使成本和體積大幅降低降低信號傳輸回路的寄生參數，提高信號完整性提升驅動與功率模塊的集成度，助力系統(tǒng)的緊湊化高度集成功率模塊高度集成功率模塊功率模塊集成潛力隔離電源集成隔離驅動驅動芯片流信號-功率分別傳輸的常規(guī)驅動架構L調制復用架構允許驅動信號-功率在一個通道內傳輸：信號完整驅動信號大驅動信號信號隔離驅動信號大功率信號調制傳統(tǒng)分離傳輸架構整流濾波解調驅動功率有功率隔離隔離變壓器復用架構口用同一磁芯實現驅動信號和驅動功率的傳輸，實現對隔離變壓器的復用：口用同一磁芯實現驅動信號和驅動功率的傳輸，實現對隔離變壓器的復用：>缺點：毫瓦級功率驅動信號容易受到瓦級功率傳輸的干擾。功率變換信號調制驅動信號信號>3000占空比固定為J.Yu.Q.Qian,P.Lin,W.Su占空比固定為J.Yu.Q.Qian,P.Lin,W.SusolatedresonantgmteaymmetricalONOFF2017IEEEAppliedPower口驅動信號調制方式：驅動信號=驅動功率的控制信號，效率高，結構簡單，適用于驅動信號頻率高，但占空比固定，死區(qū)不可調，驅動輸出上升沿/下降沿慢?！醺哳l功率PWM信號調制方式：將驅動信號與高頻的功率PWM信號調制后進行傳輸，占空比可控，變壓器體積小，但驅動功率輸出受限于驅動信號的頻率與占空比。J.Garcis,S.Saced.,ECurpCastellazzi,andP.Garcia,"SelfPowcringHiuhFreoucneyModulaDrver,"IFEETansactionsoApplications,vol.55.00.4.pp.3967-3977,2019.口目前復用方法處于初級階段，信號-功率的傳輸均存在不同程度的相互制約：口目前復用方法處于初級階段，信號-功率的傳輸均存在不同程度的相互制約：信號傳輸要求功率傳輸要求·寬頻率范圍·寬占空比范圍·輸出電壓可控·整體設計簡單·大輸出功率亟待形成驅動信號和功率非耦合的獨立復合傳輸方法在高度集成的系統(tǒng)中實現高保真的驅動信號和高效的驅動功率傳輸信道復用技術--時分復用口復用：將若干獨立的信號合并為一個可在同一信道上同時傳輸的復合信口復用：將若干獨立的信號合并為一個可在同一信道上同時傳輸的復合信號?？跁r分復用：將信道傳輸的時間進行劃分，分配給不同信號使用，每一路信號在自己的時隙內獨占信道進行數據傳輸。隔離通道隔離通道時分復用WM-W-功率變換信號調制口柵極驅動中時分復用與移動通信中時分復用存在明顯差異：移動通信信號傳輸時隙預先分配，需要時鐘同步，數據量大，可允許的信號時延高。柵極驅動信號傳輸時隙實時控制，無需時鐘同步，數據量小，可允許的信號時延低。如何設置信號-功率傳輸時序以減小傳輸延時和提高功率傳輸穩(wěn)定性LL如何在不增加耦合電下實現信號融合需難點3如何實現雙向信號和功率的復合傳輸□提出一種基于時分復用的功率-信號同傳的一體化隔離驅動：驅動信號與功率正向傳輸：信號經邊沿提取調制后，與驅動隔離電源的控制信號，以時序疊加方式進行組合傳輸；采用脈沖幅度解調方法，實現驅動電平的整流以及驅動信號的重構。>故障信號反向傳輸：利用輸出電壓調幅實現保護信號反向傳輸；通過對開關器件關斷電壓進行窗口比較實現解調，還原保護信號47Fp基于時分復用的一體化驅動口驅動由四個部分構成：原邊電路，隔離板，平面變壓器口驅動由四個部分構成：原邊電路，隔離板，平面變壓器和副邊電路。驅動樣機尺寸為20mm*17mm*16mm;耦合電容5.6pF,滿足50Hz5kVrms交流電壓絕緣耐壓要求。primaryboard基于時分復用的一體化驅動口驅動信號頻率為100kHz,占空比范圍：{0%}、[7.5%,92.5%]、{100%},上升沿延時為436ns,下降沿延時為320ns?！鮏iCMOSFET(C3M0040120K),di/dt最高達5.4A/ns,dv/dt最高達 正向信號傳輸關鍵節(jié)點波形多脈沖實驗波形基于時分復用的一體化驅動口以退飽和(DESAT)實驗驗證反饋信號的傳輸： 退飽和(DESAT)實驗關鍵節(jié)點波形基于時分復用的一體化驅動11SenseFET,DESAT,andShuntresistors203P4PPositivesupplyrail5P6P7P890AAVVVVoltagewhenOUT(L)=V目錄〔1〕寬禁帶功率器件與柵極驅動[2]開關暫態(tài)調控技術[3]高頻無損驅動技術[4]信號-功率復合傳輸的一體化驅動技術[5]總結與展望總結口驅動是連接低壓控制器和高壓功率器件的重要樞紐：不僅為功率器件提供高速和可靠開關控制和保護，也是影響電力電子裝置高功率密度模塊化集成的重要因素?？陂_關暫態(tài)調控技術可有效降低功率器件的電熱應力，緩解電磁干擾，是實現器件盡限、可靠應用的關鍵技術?？谥C振驅動可實現更小的驅動損耗和更快驅動速率，是支撐寬禁帶功率器件高頻化的關鍵技術?？趶秃蟼鬏數囊惑w化驅動有望實現整個柵極驅動的芯片化集成，是提升驅動功玄宓度并促使由力由子裝罟向高功玄宓度?？旎l(fā)屏的羊鍵技術展望驅動功率器件2芯片設計晶圓制造品3封裝測試應用方案加工未來新技術●低開啟電壓工藝(12V)●超高耐壓截止環(huán)技術(6500V及以上)●溝槽工藝技術未來新產品●雙面散熱SiC功率模塊(17