[发明专利]一种基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法

说明书

本发明提出了一种基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法，解决了二次设备硅基电源器件的高压易击穿、高温特性差、导通电阻大、损耗高的技术问题。本发明的步骤为：首先，设计具有高dv/dt抑制能力的碳化硅MOSFET驱动电路，并通过开关电路验证驱动电路的性能；其次，设计基于碳化硅MOSFET PWM环路控制电路，其中，PWM环路控制电路包括带隙基准电路、误差放大器和过温保护电路；最后，采用外置MOSFET功率器件的方式对电源管理芯片进行了测试，通过测试验证了电源管理芯片在开关电源工作环境下达到了设计的参数定义要求，且环路工作稳定。本发明有效降低了智能电网运行成本和维护成本，为建设坚强智能电网提供基础支撑。

技术领域

本发明涉及电源芯片管理技术领域，特别是指一种基于碳化硅MOSFET电源管理芯片设计方法。

背景技术

在高功率电源管理芯片领域，一直以来长期被国外的集成电路大厂所垄断，以TI、Fairchild、ST为代表的欧美厂商几乎垄断了开关电源管理芯片。随着技术发展，陆续提出了电流模、电压模、谐振控制方式等芯片拓扑结构，在短路控制上，陆续提出了BUST MODE、PULSE skipping、HICCUP等短路控制模式，并在系统拓扑结构上也提出了副边控制模式、原边控制模式等系统控制方式等领先的系统拖布结构。进入2010年，以ADI为代表的传统信号处理芯片公司陆续提出了数字环路控制的系统和芯片结构，逐渐在工业和控制领域开始推广使用。

近年来，随着在宽禁带半导体领域技术上的突破，宽禁带半导体器件已正式进入了市场领域，针对以碳化硅为代表的宽禁带半导体，由于其噪声性能好，耐高温特性好、天然的抗辐照特性、导通电阻低以及开关频率高等特性，在电力电子和航天军工领域备受青睐。针对基于碳化硅功率器件的开关电源系统和管理芯片的研究日益活跃。国外已有成熟的基于碳化硅的功率模块成功实现商用。由于其技术上的优势和产品性能上的特点，部分高端产品对国内一直处于禁运状态。国内针对高功率电源管理芯片和电源系统的研究，在2000年以前，主要集中在研究所和高校，核心为保障我国军用电源系统的研制，主要开发方式以仿制为主。2000年以后，随着消费类市场的发展，国内陆续出现了消费类AC/DC的芯片产品，主要配套适配器和充电器市场，产品相对比较低端，电压范围较窄，无法满足工业和电力系统的需求。

国外从事碳化硅研究的主要包含Fairchild、英飞凌、日本东芝等跨国集成电路和芯片设计制造企业以及以TI、ST、ADI等为代表的集成电路设计企业。其中德国的英飞凌公司在碳化硅器件、碳化硅驱动、碳化硅电源管理芯片和碳化硅模块等方面处于全球领先的位置，2016年，英飞凌向全球发布了其碳化硅电源模块系列产品。2017年在纽伦堡的PCIM展会上，英飞凌公司又展出了1200V Cool SiC MOSFET系列模块平台。其开关管的导通阻抗达到了6mΩ，成功商用了新一代革命性的半导体技术。其大功率传输下开关频率达到了MHz。日本东芝、Fairchild等公司也与2017年陆续发布其SiC MOSFET电源管理系列产品。以TI、ST、ADI等集成电路设计公司在碳化硅电源管理芯片和碳化硅驱动芯片开发方面处于全球领先位置，其电流模控制器、Fly Back控制器、碳化硅MOSFET驱动芯片有陆续的成功产品量产的报道。

基于碳化器件的高功率电源管理芯片，主要实现以碳化硅为功率器件的电源系统的管理和控制。近年来，国内陆续出现了针对宽禁带碳化硅功率器件的研究，在功率器件的研制上也取得了突破性进展，2018年在厦门等地也陆续出现了针对碳化硅IPM(智能功率模块)研究的企业，主要采用国外的芯片，开发高功率智能电源系统，目前还尚未出现针对碳化硅电源控制芯片的研究的单位。针对于碳化硅MOSFET的驱动芯片，目前主要核心技术还掌握着英飞凌、日本的东芝等半导体大厂手里。