基于直接驱动的耗尽型功率开关晶体管在能量变换电路中的使用方法

本发明涉及电力电子，更具体地，涉及一种基于直接驱动的耗尽型功率开关晶体管在能量变换电路中的使用方法。

背景技术：

1、电力电子变换器的核心部件是功率晶体管，通过高速开关切换实现电能转换。它被广泛应用于能源系统、计算机体系、航空航天、军事领域等，与人们的日常生活息息相关。

2、当前，功率半导体器件仍主要采用硅基材料(si)。然而，硅基材料由于其固有特性，难以满足日益增长的功率密度需求。相比之下，宽禁带半导体器件(如氮化镓gan和碳化硅sic)具有显著优势，包括更高耐压水平、更低导通电阻和更快开关速度。使其在高效能量转换、高频开关和高压应用中非常有利。在应用过程中，宽禁带半导体器件中耗尽型器件需要负压驱动。如果栅极驱动失控，器件会一直处于导通状态，可能导致电路短路和失效安全问题。因此，安全驱动耗尽型器件成为一个关键挑战。

3、耗尽型晶体管的驱动方式包括间接驱动和直接驱动。间接驱动中，耗尽型晶体管与增强型低压晶体管形成共栅源(cascode)结构，通过控制增强型器件驱动耗尽型器件。然而，硅基增强型晶体管限制了开关频率，无法充分发挥宽禁带半导体的高频优势。

4、直接驱动中，耗尽型晶体管的源极与增强型低压晶体管的漏极相串联，对两个器件独立驱动实现直接驱动。工作过程中，增强型晶体管持续导通，驱动信号直接控制耗尽型晶体管的开关状态。增强型晶体管不参与开关操作，因此开关速度和频率不受影响，能够充分发挥耗尽型晶体管的优势。

5、目前，直接驱动方法采用集成式设计，将耗尽型功率器件、增强型低压功率晶体管、升降压控制器、数字逻辑电路和推挽驱动电路全部封装在一起。这种方法通过复杂的结构设计实现了较高的系统稳定性。然而，这种集成式应用过程中无法自行选择功率器件，也不能自行设计驱动电路，从而降低了应用的灵活性，其局限性较为明显。

6、另一种直接驱动方法是采用外围电路，对单一驱动信号通过两个支路电路来控制耗尽型和增强型器件。一个支路将驱动信号转换为负压，用于控制耗尽型器件的开关切换；另一个支路对驱动信号进行延时处理，以控制增强型低压晶体管的持续导通。这种方式可以完成直接驱动。然而，由于使用同一信号控制两个器件，控制过程不够精准。在上电和下电过程中时序控制容易出现问题，导致器件无法协调工作。可能引发短路，造成器件损坏的后果。

7、鉴于目前直接驱动方法存在结构复杂、设计难度高、灵活性差以及协同工作风险，因此需要一种新的基于直接驱动的耗尽型功率开关晶体管的能量转换电路使用方法。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种基于直接驱动的耗尽型功率开关晶体管在能量变换电路中的使用方法，提高了安全性能。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于直接驱动的耗尽型功率开关晶体管在能量变换电路中的使用方法，直接驱动电路包括：高侧负压驱动器和低侧正压驱动器、耗尽型高压功率开关晶体管q1、增强型低压功率开关晶体管q2、电流检测单元、数字控制器；所述高侧负压驱动器与所述耗尽型高压功率开关晶体管q1的栅极相连接；所述低侧正压驱动器与所述增强型低压功率开关晶体管q2栅极连接；所述电流检测单元的输出端与所述数字控制器输入端连接，所述电流检测单元输入端连接在所述耗尽型高压功率开关晶体管q1源极和所述增强型低压功率开关晶体管q2的漏极连接处的中间位置；同时所述数字控制器输出端分别与高侧负压驱动器输入端、低侧正压驱动器输入端连接；所述高侧负压驱动器将数字控制器的产生的驱动电平信号进行电平转换实现耗尽型高压功率开关晶体管q1的负压驱动；所述低侧正压驱动器将数字控制器的电平信号进行转换之后实现对增强型低压功率开关晶体管q2的正压驱动；所述电流检测单元将耗尽型高压功率开关晶体管q1和增强型低压功率开关晶体管q2在正常工作过程中的电流反馈到数字控制器用于耗尽型高压功率开关晶体管q1以及增强型低压功率开关晶体管q2的过流保护。

4、根据上述技术手段，本发明从耗尽型功率场效应晶体管器件直接驱动在实际功率变换应用的安全需求和控制需求出发，现有的技术方案中集成式的直接驱动无法进行自行选择更高功率的耗尽型功率器件，采用外围电路构建的直接驱动存在控制时序不够精准存在协同工作短路的问题。并且在耗尽型高压功率开关晶体管q1和增强型低压功率开关晶体管q2之间无过流检测部分，这将无法获取在正常工作过程中耗尽型高压功率开关晶体管q1的流通电流，在发生短路风险时器件的过流而引起的晶体管的烧毁，本发明增加了耗尽型高压功率开关晶体管q1的电流检测单元，配合数字控制器既能够精确的控制耗尽型高压功率开关晶体管q1和增强型低压功率开关晶体管q2的上电时序的精确控制，可自由选择更高功率等级的耗尽型功率器件。可以充分利用耗尽型功率场效应晶体管性能、同时能够满足器件过流保护降低器件失效风险的一种保护方式。

5、进一步地，所述高侧负压驱动器包括正压驱动器和与所述正压驱动器输出端连接的电荷泵电路，所述电荷泵电路由电容器c1与二极管d1并联构成；所述正压驱动器输入数个脉冲之后在二极管d1的阴极出现负压，从而实现负压驱动。从耗尽型功率开关晶体管的直接驱动在实际电路的控制需求出发，可以极大的简化驱动电路的复杂性，同时提高耗尽型高压功率开关晶体管q1的开关频率。

6、进一步地，所述耗尽型高压功率开关晶体管q1和所述增强型低压功率开关晶体管q2均分别具有栅极、漏极以及源极；所述耗尽型高压功率开关晶体管q1的源极与所述增强型低压功率开关晶体管q2的漏极连接。

7、进一步地，在使用过程中，若所述耗尽型高压功率开关晶体管q1在正常工作过程中发生过流行为，由电流检测单元发出信号给数字控制器，随后数字控制器发射低电平信号经过低侧低压驱动器使得增强型低压功率开关晶体管q2关闭；随后，数字控制器停止发射脉冲宽度调制信号给耗尽型高压功率开关晶体管q1，耗尽型高压功率开关晶体管q1栅源电压逐步下降至耗尽型高压功率开关晶体管q1的关断电压，以此达到耗尽型高压功率开关晶体管q1的过流保护。

8、进一步地，正常上电时，所述数字控制器分别输出低电平信号经高侧负压驱动器、低侧正压驱动器进行电平转换；确保耗尽型高压功率开关晶体管q1和增强型低压功率开关晶体管q2均处于关闭状态。

9、进一步地，正常上电时，所述耗尽型高压功率开关晶体管q1的漏极施加高压、耗尽型高压功率开关晶体管q1的栅源电压逐步下降到耗尽型高压功率开关晶体管q1的关断电压。耗尽型高压功率开关晶体管q1完全关闭之后，由数字控制器输出高电平信号经过低侧正压驱动器使得增强型低压功率开关晶体管q2完全导通。

10、进一步地，耗尽型高压功率开关晶体管q1的漏极施加高压、待其栅极完全关闭之后，增强型低压功率开关晶体管q2完全导通，数字控制器发出连续的脉冲宽度调制信号经高侧负压驱动器实现耗尽型高压功率开关晶体管q1的导通和关闭，以此实现能量的转换。

11、进一步地，使用过程中耗尽型高压功率开关晶体管q1在正常工作过程中关机阶段，由数字控制器发出低电平信号经过低侧正压驱动器使得增强型低压功率开关晶体管q2关闭；随后，数字控制器停止发射脉冲宽度调制信号给耗尽型高压功率开关晶体管q1使得其完全关闭以此达到安全关机的需求。

12、进一步地，上电控制时序包括：上电开始，数字控制器产生低电平信号分别给高侧负压驱动器、低侧正压驱动器，经高侧负压驱动器和低侧正压驱动器的电平转换使得耗尽型高压功率开关晶体管q1和增强型低压功率开关晶体管q2均处于关闭状态；待耗尽型高压功率开关晶体管q1完全关闭后，数字控制器产生高电平信号经过低侧正压驱动器进行电平转换开启增强型低压功率开关晶体管q2，从而实现耗尽型高压功率开关晶体管q1的直接驱动开启过程；之后通过数字控制器产生任意周期脉冲宽度调制信号发给高侧负压驱动器进一步实现耗尽型高压功率开关晶体管q1和增强型低压功率开关晶体管q2的开通和关断。

13、进一步地，下电控制时序包括：在直接驱动电路处于完整的运行过程时，耗尽型高压功率开关晶体管q1处于正常的开关过程中，增强型低压功率开关晶体管q2出于完全导通状态；此时，数字控制器产生一个低电平信号通过低侧正压驱动器实现增强型低压功率开关晶体管q2的关断。随后数字控制器关闭脉冲宽度调制信号的输出并输出一个低电平信号，该低电平信号经过高侧负压驱动器实现耗尽型高压功率开关晶体管q1的关断；从而实现直接驱动的关闭过程。

14、进一步地，过流保护控制的时序包括：在直接驱动电路处于完整的运行过程中，耗尽型高压功率开关晶体管q1处于正常的开关切换过程中，增强型低压功率开关晶体管q2处于完全导通状态；电流检测单元将流过耗尽型高压功率开关晶体管q1和增强型低压功率开关晶体管q2的电流采集并反馈给数字控制器，当数字控制器判断流过耗尽型高压功率开关晶体管q1的电流超过器件的额定工作电流时，数字控制器产生一个低电平信号，通过低侧正压驱动器实现增强型低压功率开关晶体管q2的关断。随后，数字控制器关闭脉冲宽度调制信号并产生低电平信号经过高侧负压驱动器实现耗尽型高压功率开关晶体管q1的关断；随后。进一步地实现了耗尽型高压功率开关晶体管q1的过流保护。

15、与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种基于直接驱动的耗尽型功率开关晶体管在能量变换电路中的使用方法，充分发挥耗尽型功率场效应晶体管器件性能、并且满足器件过流带来的失效安全的需求，克服现有耗尽型器件直接驱动应用方案过流烧毁的失效安全问题。