关键词：
脉冲功率半导体开关
栅极驱动
输入滤波
栅极保护
摘要：
脉冲功率技术向工业与民用领域的拓展应用,推动着高功率密度、高储能效率及高可靠性脉冲功率系统的创新发展。作为脉冲功率系统能量转换的核心组件,脉冲功率半导体开关的性能直接决定系统的输出特性,而其栅极驱动电路的可靠性与环境适应能力更是影响系统稳定运行的关键因素。
针对主流脉冲功率半导体开关MOS控制晶闸管(MOS Controlled Thyristor,MCT)在电容储能脉冲放电系统中栅极驱动电路两大核心挑战展开研究:储能过程中电磁干扰引发的误触发问题,以及放电过程中由于瞬态过压导致的器件失效问题。主要研究成果包括:
1.针对储能过程中的噪声干扰问题,深入分析其对驱动电路工作的影响机理,并在此基础上改进传统输入滤波电路,设计了一种低失真输入电平脉宽滤波电路。该电路利用芯片内部基准源提供恒定电流对电容充放电,并结合比较器电路,实现电平滤波与较大脉宽滤波阈值的复合滤波功能。此外,采用两路对称充放电结构以消除滤波电路对信号波形造成的失真。
2.针对放电过程中误触发及过压损坏问题,深入研究其工作机理,并对传统栅极保护电路进行改进,提出了一种复用式抗误触发过压栅极保护电路。该电路利用MCT独特的关断特性,复用功率下管替代传统钳位辅助管,大幅降低电路复杂度。同时,采用分离输出结构,在系统升压过程中将输出直接钳位至地,以降低驱动回路阻抗,从而提高密勒电流的泄放速度。此外,在系统放电过程中,通过检测输出电压变化,利用功率下管实现对栅极电压钳位,防止过压损坏。
本文针对脉冲功率半导体开关的特殊应用场景及其关断特性,完成专用栅极驱动芯片的具体电路结构设计,并基于0.18μm BCD工艺平台完成流片、封装、测试。实验证明,在12V电源供电、栅极电阻20Ω的测试条件下,栅极信号上升时间51.2ns、下降时间73.2ns。提出的低失真输入电平脉宽滤波电路实验证明电平阈值为2.5V,滤波脉宽阈值超过1μs,有效提升了栅极驱动电路的输入抗干扰能力,并实现脉宽失真度低于4%。提出的复用式抗误触发过压栅极保护电路流片测试功能异常,采用外部分立器件搭建电路测试,实现当栅极峰值电压振荡至20V时钳位至14V,有效防止开关栅极及驱动功率管的过压损坏。
欢迎来到三峡大学图书馆！
