CN104883038A - 一种应用负压关断半桥电路驱动器的半桥电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用负压关断半桥电路驱动器的半桥电路及其方法，该半桥电路包括直流电源，所述直流电源的输出端串接有SiC MOSFET半桥电路，所述SiC MOSFET半桥电路，包括串联连接的上桥臂和下桥臂，以及上桥臂驱动器和下桥臂驱动器；所述上桥臂驱动器和下桥臂驱动器均包括负压产生电路，所述负压产生电路产生驱动半桥电路的负压信号，并将负压信号传送至消除负压尖峰电路中，所述消除负压尖峰电路与负压产生电路串联连接。本发明在不增加额外控制信号的前提下，通过PNP三极管自身的导通和关断，有效地解决了半桥单元串扰对驱动信号造成的负压尖峰，降低了由于栅源极负压超过限定值造成SiC器件损坏的风险。

Description

一种应用负压关断半桥电路驱动器的半桥电路及其方法

技术领域

本发明涉及驱动电路领域，具体涉及一种应用负压关断半桥电路驱动器的半桥电路及其方法。

背景技术

宽禁带技术在近几年日益成熟，SiC材料作为一种宽带隙半导体材料，被广泛应用于电力电子行业半导体开关器件中。SiC MOSFET具有击穿电压高、热导率高、开关频率高等良好的特性，是一种较为成熟并已经商业化的宽禁带开关器件，将SiC MOSFET应用到功率变换器中，会使功率密度和效率有显著的提高。然而，高开关速度同时会使得由电路寄生电感造成的不利影响增强，驱动电压的正负尖峰增大。同时，与Si MOSFET相比，由于物理特性和技术发展的限制，SiC MOSFET承受负压的能力较Si MOSFET更小，第二代SiC MOSFET的门极耐压能达到-10V/+25V。因此，传统的Si MOSFET的门极驱动已经不能满足开关器件发展的需求，新型门极驱动技术越来越引起人们的关注。

门极驱动的改进主要集中在不降低开关速度的同时消除半桥电路串扰问题给驱动信号造成的干扰，以避免栅源极负压尖峰超出器件耐压值和直通问题的发生，在不需要额外的增加控制信号的情况下，来提高系统的安全性和稳定性。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种应用负压关断半桥电路驱动器的半桥电路及其方法，在不增加额外控制信号的前提下，通过PNP三极管自身的导通和关断来消除半桥电路串扰引起的驱动信号负压尖峰问题。

本发明的具体方案如下：

一种负压关断半桥电路驱动器，包括：

负压产生电路，其产生驱动半桥电路的负压信号，并将负压信号传送至消除负压尖峰电路中来消除半桥电路中的负压信号的负向电压尖峰，所述消除负压尖峰电路与负压产生电路串联连接；

所述消除负压尖峰电路，包括SiC MOSFET开关管，所述SiC MOSFET开关管的源极连接至第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接PNP型三极管的集电极，SiC MOSFET开关管的栅极与PNP型三极管的发射极相连；所述PNP型三极管的基极和发射极两端并联有RD并联电路，所述RD并联电路包括第三电阻及与第三电阻并联连接的二极管。

所述负压产生电路，包括交流电源，所述交流电源的输出端串联一推挽连接的第一三极管和第二三极管，所述第一三极管和第二三极管连结点处串接RC并联电路；所述RC并联电路串接第二电阻后，并联在所述第二三极管的发射极与集电极两端；所述第二电阻与所述消除负压尖峰电路并联连接。

所述RC并联电路包括第一电阻及其并联连接的第一电容。

一种负压关断半桥电路驱动器的工作方法，包括：

当第一三极管导通，第二三极管关断，RC并联电路中的第一电容进行预充电来提供负压信号，所述负压信号对第一电阻和第二电阻的设定值进行调节；同时，电流流经第三电阻，PNP型三极管导通，第二电容进行预充电；

当第一三极管关断，第二三极管导通，RC并联电路中的第一电容为半桥电路的上桥臂和下桥臂提供负压信号，PNP型三极管关断。

一种应用负压关断半桥电路驱动器的半桥电路，包括：

直流电源，所述直流电源的输出端串接有SiC MOSFET半桥电路，所述SiC MOSFET半桥电路，包括串联连接的上桥臂和下桥臂，与上桥臂连接的上桥臂驱动器，以及与下桥臂连接的下桥臂驱动器；

所述上桥臂驱动器和下桥臂驱动器均包括负压产生电路，所述负压产生电路产生驱动半桥电路的负压信号，并将负压信号传送至消除负压尖峰电路中，所述消除负压尖峰电路与负压产生电路串联连接；

所述消除负压尖峰电路，包括SiC MOSFET开关管，所述SiC MOSFET开关管的源极连接至第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接PNP型三极管的集电极，SiC MOSFET开关管的栅极与PNP型三极管的发射极相连；所述PNP型三极管的基极和发射极两端并联有RD并联电路，所述RD并联电路包括第三电阻及与第三电阻并联连接的二极管。

所述上桥臂和下桥臂的连结点之间串接有RL电路。

所述负压产生电路，包括交流电源，所述交流电源的输出端串联一推挽连接的第一三极管和第二三极管，所述第一三极管和第二三极管连结点处串接RC并联电路；所述RC并联电路串接第二电阻后，并联在所述第二三极管的发射极与集电极两端；所述第二电阻与所述消除负压尖峰电路并联连接。

所述RC并联电路包括第一电阻及其并联连接的第一电容。

一种应用负压关断半桥电路驱动器的半桥电路的工作方法，包括：

(1)预充电阶段t0～t1时段内：

上桥臂驱动器和下桥臂驱动器中的第一三极管均导通，第二三极管均关断，第一电容均进行预充电；同时，上桥臂驱动器和下桥臂驱动器中的PNP型三极管均导通，第二电容均进行预充电；

(2)上桥臂驱动器和下桥臂驱动器的控制脉冲的一个开关周期为t1～t6时段：

(2.1)t1～t2时段内，上桥臂驱动器的第一三极管和下桥臂驱动器的第一三极管均关断，上桥臂驱动器的第二三极管和下桥臂驱动器的第二三极管导通，上桥臂驱动器的第一电容和下桥臂驱动器的第一电容分别为SiC MOSFET半桥电路上、下桥臂提供负压，上桥臂驱动器和下桥臂驱动器的PNP型三极管均关断；

(2.2)t2时刻，上桥臂驱动器的第一三极管导通，上桥臂驱动器的第二三极管关断，SiCMOSFET半桥电路上桥臂开始导通，同时电流通过上桥臂驱动器的第三电阻流向直流电源的负极，PNP型三极管触发导通，上桥臂驱动器的第二电容再次向上桥臂SiC MOSFET的栅源寄生电容充电；

(2.3)t2～t3时段内，上桥臂驱动器的第一三极管处于导通状态，上桥臂驱动器的第二三极管处于关断状态，上桥臂导通，下桥臂关断，下桥臂驱动器的第一电容继续为下桥臂驱动器的第二三极管提供负压；

(2.4)t3时刻，上桥臂驱动器的第一三极管关断，上桥臂驱动器的第二三极管导通，SiCMOSFET半桥电路上桥臂开始关断；

(2.5)t3～t4时段内，上桥臂驱动器的第二三极管和下桥臂驱动器的第二三极管均导通，上桥臂驱动器的第一三极管和下桥臂驱动器的第一三极管均关断，上下桥臂均处于关断状态；

(2.6)t4时刻，下桥臂驱动器的第一三极管导通，下桥臂驱动器的第二三极管关断，SiCMOSFET半桥电路下桥臂开始导通，同时电流通过下桥臂驱动器的第三电阻流向直流电源的负极，PNP型三极管触发导通，下桥臂驱动器的第二电容再次向下桥臂SiC MOSFET的栅源寄生电容充电；

(2.7)t4～t5时段内，下桥臂驱动器的第一三极管处于导通状态，下桥臂驱动器的第二三极管处于关断状态，下桥臂导通、上桥臂关断，上桥臂驱动器中第一电容为上桥臂驱动器的第二三极管提供负压信号；

(2.8)t5时刻，下桥臂驱动器的第一三极管关断，下桥臂驱动器的第二三极管导通，SiCMOSFET半桥电路下桥臂开始关断；

(2.9)t5～t6时段内，上桥臂驱动器的第一三极管和下桥臂驱动器的第二三极管导通，上桥臂驱动器的第二三极管和上桥臂驱动器的第一三极管关断，上下桥臂均处于关断状态，等待下一开关周期的到来；

其中，t0<t1<t2<t3<t4<t5<t6。

本发明的有益效果为：

(1)本发明驱动电路通过无源器件产生负压，减少了负压电源的使用，节约了成本；

(2)本发明在不增加额外控制信号的前提下，通过PNP三极管自身的导通和关断，有效地解决了半桥单元串扰对驱动信号造成的负压尖峰，降低了由于栅源极负压超过限定值造成SiC器件损坏的风险。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为本发明的功能检测电路；

图3(a)为预充电阶段t0～t1时段电路工作等效图；

图3(b)为t2时刻电路工作等效图；

图3(c)为t3时刻电路工作等效图；

图3(d)为t3～t4时段电路工作等效图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

本发明SiC MOSFET半桥电路驱动器的拓扑结构如图1所示，包括：负压产生电路和消除负压尖峰电路；所述负压产生电路和消除负压尖峰电路串联连接。

所述消除负压尖峰电路，包括SiC MOSFET开关管，所述SiC MOSFET开关管的源极连接至第二电容的一端，C2，所述第二电容的另一端连接PNP型三极管Q，SiC MOSFET开关管的栅极与PNP型三极管的发射极相连；所述PNP型三极管的基极和发射极两端并联有RD并联电路，所述RD并联包括第三电阻R3及与其并联连接的二极管D。

所述负压产生电路，包括交流电源，所述交流电源的输出端串联一推挽连接的第一三极管Su和第二三极管Sd，所述第一三极管Su和第二三极管Sd连结点处串接RC并联电路，所述RC并联电路包括第一电阻R1及其并联连接的第一电容C1，所述RC并联电路串接有第二电阻R2并联在所述第二三极管Sd的发射极与集电极之间，所述第二电阻R2与所述消除负压尖峰电路并联连接。

两个三极管Su、Sd为推挽式连接，其中，电阻R1、R2起分压作用，C1用于产生负压，C2、R3、PNP型三极管Q用于消除半桥电路串扰引起的驱动信号的负压尖峰，二极管D用于避免关断时开关速度的降低。

如图2所示为本发明应用于半桥电路示意图。包括：上桥臂驱动器以及与其连接的SiCMOSFET半桥电路上桥臂、下桥臂驱动器以及与其连接的SiC MOSFET半桥电路下桥臂；SiCMOSFET半桥电路上桥臂和下桥臂串联连接；

上桥臂驱动器包括：三极管SHu和三极管SHd推挽连接，并串接在电源VH的两端，电阻R1_H和电容C1_H组成的并联电路一端连接在三极管SHu和三极管SHd之间、另一端分成三路，其中一路连接SiC MOSFET半桥电路上桥臂的栅极，一路连接R2，一路依次串联电容C2_H和PNP型三极管Q_H并与SiC MOSFET半桥电路上桥臂的源极相连，电阻R2一端连接电阻R1_H和电容C1_H组成的并联电路，另一端分成两路，一端直接与电源VH的负极相连，另一端通过电阻R3_H和二极管D_H的并联电路与SiC MOSFET半桥电路上桥壁的源极相连；

下桥臂驱动器包括：三极管SLu和三极管SLd推挽连接，并串接在电源VL的两端，电阻R1_L和电容C1_L组成的并联电路一端连接在三极管SLu和三极管SLd之间、另一端分成三路，其中一路连接SiC MOSFET半桥电路下桥臂的栅极，一路连接R2，一路依次串联电容C2_L和PNP型三极管Q_L并与SiC MOSFET半桥电路下桥臂的源极相连，电阻R2一端连接电阻R1_L和电容C1_L组成的并联电路，另一端分成两路，一端直接与电源VL的负极相连，另一端通过电阻R3_L和二极管D_L的并联电路与SiC MOSFET半桥电路下桥臂的源极相连；

下面结合PNP型三极管的动作情况详细说明该驱动电路较以往MOSFET驱动的优势所在。

根据开关电路的工作状态，可将上桥臂驱动器和下桥臂驱动器的控制脉冲的开关周期分为六个时段：

在预充电阶段t0～t1时段内，如图3(a)所示，三极管SHu和三极管SLu导通，三极管SHd、三极管SLd关断，电容C1_H、C1_L进行预充电，同时电流流经R3_H、R3_L，使PNP型三极管Q_H、Q_L的发射极电位大于基极电位，三极管Q_H、Q_L导通，C2_H、C2_L进行预充电，C1_H、C1_L用以提供负压，其电压通过对R1_H、R2_H、R1_L、R2_L值的设定进行调节；

t1～t2时段内，三极管SHu、SLu关断，三极管SHd、SLd导通，电容C1_H、C1_L为SiC MOSFET半桥电路上、下桥臂提供负压，由于基极电位大于发射极电位，PNP型三极管Q_H、Q_L关断，等待开关信号的到来；

t2时刻，三极管SHu导通，SHd关断，使SiC MOSFET半桥电路上桥臂开始导通，处于关断状态的PNP型三极管Q_H导通，C2_H给MOS_H的栅源极电感Cgs_H充电，上桥臂开关管的导通速度不会受到影响。上桥臂导通、下桥臂关断，由于串扰作用，下桥臂会在Cgs_L上产生一个正向尖峰，而电容C1_L会为下管提供负压，从而拉低了负压尖峰的峰值，降低了下桥臂误导通的几率，如图3(b)所示；

t2～t3时段内，三极管SHu处于导通状态，SHd处于关断状态，上桥臂导通、下桥臂关断，电容C1_L继续为下管提供负压；

t3时刻，三极管SHu关断，SHd导通，SiC MOSFET半桥电路上桥臂开始关断，此时负载中部分电流会流经MOS_L的栅源极寄生电容Cgs_L并产生一个负向尖峰，此负向尖峰如果超出了SiC MOSFET栅源极所能承受的最大负压就会造成器件的损坏，该驱动器可有效的消除负压峰值，当有部分电流流经驱动电路的时候，由于PNP型三极管Q_L的发射极电压大于基极电压，因此Q_L导通，由于C2_L的容值较大，因此为电流提供了一个较小的阻抗回路，从而消除了负压尖峰，保护了器件，如图3(c)所示；

如图3(d)所示t3～t4时段内，三极管SHd、SLd导通，三极管SHu、SLu关断，为主电路的“死区”时段，上下桥臂均处于关断状态；

t4时刻，三极管SLu导通，SLd关断，使SiC MOSFET半桥电路下桥臂开始导通，处于关断状态的PNP型三极管Q_L导通，C2_H给MOS_L的栅源极电感Cgs_L充电，下桥臂开关管的导通速度不会受到影响。下桥臂导通、上桥臂关断，由于串扰作用，上桥臂会在Cgs_L上产生一个正向尖峰，而电容C1_H会为上管提供负压，从而拉低了负压尖峰的峰值，降低了上桥臂误导通的几率；

t4～t5时段内，三极管SLu处于导通状态，SLd处于关断状态，下桥臂导通、上桥臂关断，电容C1_H继续为上管提供负压；

t5时刻，三极管SLu关断，SLd导通，SiC MOSFET半桥电路下桥臂开始关断，此时负载中部分电流会流经MOS_H的栅源极寄生电容Cgs_H并产生一个负向尖峰，当有部分电流流经驱动电路的时候，由于PNP型三极管Q_H的发射极电压大于基极电压，因此Q_H导通，由于C2_H的容值较大，因此为电流提供了一个较小的阻抗回路，从而消除了负压尖峰，保护了器件；

t5～t6时段内，三极管SHd、SLd导通，三极管SHu、SLu关断，为主电路的“死区”时段，上下桥臂均处于关断状态，等待下一开关周期的到来；

其中，t0<t1<t2<t3<t4<t5<t6。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种负压关断半桥电路驱动器，其特征在于，包括负压产生电路，其产生驱动半桥电路的负压信号，并将负压信号传送至消除负压尖峰电路中来消除半桥电路中的负压信号的负向电压尖峰，所述消除负压尖峰电路与负压产生电路串联连接；

所述消除负压尖峰电路，包括SiC MOSFET开关管，所述SiC MOSFET开关管的源极连接至第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接PNP型三极管的集电极，SiC MOSFET开关管的栅极与PNP型三极管的发射极相连；所述PNP型三极管的基极和发射极两端并联有RD并联电路，所述RD并联电路包括第三电阻及与第三电阻并联连接的二极管。

2.如权利要求1所述的一种负压关断半桥电路驱动器，其特征在于，所述负压产生电路，包括交流电源，所述交流电源的输出端串联一推挽连接的第一三极管和第二三极管，所述第一三极管和第二三极管连结点处串接RC并联电路；所述RC并联电路串接第二电阻后，并联在所述第二三极管的发射极与集电极两端；所述第二电阻与所述消除负压尖峰电路并联连接。

3.如权利要求2所述的一种负压关断半桥电路驱动器，其特征在于，所述RC并联电路包括第一电阻及其并联连接的第一电容。

4.一种如权利要求3所述的负压关断半桥电路驱动器的工作方法，其特征在于，包括：

当第一三极管导通，第二三极管关断，RC并联电路中的第一电容进行预充电来提供负压信号，所述负压信号对第一电阻和第二电阻的设定值进行调节；同时，电流流经第三电阻，PNP型三极管导通，第二电容进行预充电；

当第一三极管关断，第二三极管导通，RC并联电路中的第一电容为半桥电路的上桥臂和下桥臂提供负压信号，PNP型三极管关断。

5.一种应用负压关断半桥电路驱动器的半桥电路，其特征在于，包括：

直流电源，所述直流电源的输出端串接有SiC MOSFET半桥电路，所述SiC MOSFET半桥电路，包括串联连接的上桥臂和下桥臂，与上桥臂连接的上桥臂驱动器，以及与下桥臂连接的下桥臂驱动器；

所述上桥臂驱动器和下桥臂驱动器均包括负压产生电路，所述负压产生电路产生驱动半桥电路的负压信号，并将负压信号传送至消除负压尖峰电路中，所述消除负压尖峰电路与负压产生电路串联连接；

所述消除负压尖峰电路，包括SiC MOSFET开关管，所述SiC MOSFET开关管的源极连接至第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接PNP型三极管的集电极，SiC MOSFET开关管的栅极与PNP型三极管的发射极相连；所述PNP型三极管的基极和发射极两端并联有RD并联电路，所述RD并联电路包括第三电阻及与第三电阻并联连接的二极管。

6.如权利要求5所述的应用负压关断半桥电路驱动器的半桥电路，其特征在于，所述上桥臂和下桥臂的连结点之间串接有RL电路。

7.如权利要求5所述的应用负压关断半桥电路驱动器的半桥电路，其特征在于，所述负压产生电路，包括交流电源，所述交流电源的输出端串联一推挽连接的第一三极管和第二三极管，所述第一三极管和第二三极管连结点处串接RC并联电路；所述RC并联电路串接第二电阻后，并联在所述第二三极管的发射极与集电极两端；所述第二电阻与所述消除负压尖峰电路并联连接。

8.如权利要求7所述的应用负压关断半桥电路驱动器的半桥电路，其特征在于，所述RC并联电路包括第一电阻及其并联连接的第一电容。

9.一种如权利要求8所述的应用负压关断半桥电路驱动器的半桥电路的工作方法，其特征在于，包括：

(1)预充电阶段t0～t1时段内：

上桥臂驱动器和下桥臂驱动器中的第一三极管均导通，第二三极管均关断，第一电容均进行预充电；同时，上桥臂驱动器和下桥臂驱动器中的PNP型三极管均导通，第二电容均进行预充电；

(2)上桥臂驱动器和下桥臂驱动器的控制脉冲的一个开关周期为t1～t6时段：

(2.1)t1～t2时段内，上桥臂驱动器的第一三极管和下桥臂驱动器的第一三极管均关断，上桥臂驱动器的第二三极管和下桥臂驱动器的第二三极管导通，上桥臂驱动器的第一电容和下桥臂驱动器的第一电容分别为SiC MOSFET半桥电路上、下桥臂提供负压，上桥臂驱动器和下桥臂驱动器的PNP型三极管均关断；

(2.2)t2时刻，上桥臂驱动器的第一三极管导通，上桥臂驱动器的第二三极管关断，SiCMOSFET半桥电路上桥臂开始导通，同时电流通过上桥臂驱动器的第三电阻流向直流电源的负极，PNP型三极管触发导通，上桥臂驱动器的第二电容再次向上桥臂SiC MOSFET的栅源寄生电容充电；

(2.3)t2～t3时段内，上桥臂驱动器的第一三极管处于导通状态，上桥臂驱动器的第二三极管处于关断状态，上桥臂导通，下桥臂关断，下桥臂驱动器的第一电容继续为下桥臂驱动器的第二三极管提供负压；

(2.4)t3时刻，上桥臂驱动器的第一三极管关断，上桥臂驱动器的第二三极管导通，SiCMOSFET半桥电路上桥臂开始关断；

(2.5)t3～t4时段内，上桥臂驱动器的第二三极管和下桥臂驱动器的第二三极管均导通，上桥臂驱动器的第一三极管和下桥臂驱动器的第一三极管均关断，上下桥臂均处于关断状态；

(2.6)t4时刻，下桥臂驱动器的第一三极管导通，下桥臂驱动器的第二三极管关断，SiCMOSFET半桥电路下桥臂开始导通，同时电流通过下桥臂驱动器的第三电阻流向直流电源的负极，PNP型三极管触发导通，下桥臂驱动器的第二电容再次向下桥臂SiC MOSFET的栅源寄生电容充电；

(2.7)t4～t5时段内，下桥臂驱动器的第一三极管处于导通状态，下桥臂驱动器的第二三极管处于关断状态，下桥臂导通、上桥臂关断，上桥臂驱动器中第一电容为上桥臂驱动器的第二三极管提供负压信号；

(2.8)t5时刻，下桥臂驱动器的第一三极管关断，下桥臂驱动器的第二三极管导通，SiCMOSFET半桥电路下桥臂开始关断；

(2.9)t5～t6时段内，上桥臂驱动器的第一三极管和下桥臂驱动器的第二三极管导通，上桥臂驱动器的第二三极管和上桥臂驱动器的第一三极管关断，上下桥臂均处于关断状态，等待下一开关周期的到来；

其中，t0<t1<t2<t3<t4<t5<t6。