CN104967316A - Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路及其控制方法，属于电力电子电路的技术领域。驱动电路包括：高压快速开通支路、低压驱动Buck电路、关断回路开关。控制方法，在晶体管开通时采用高压电源供电以提供较大的脉冲电流，加速开通过程；在开关管稳态导通时采用低压电源通过Buck电路供电；通过控制Buck电路中开关管以调节晶体管基极电流的大小，使基极电流跟随发射极电流同步变化。与现有SiC BJT驱动电路相比，可同时满足驱动损耗小和开关速度快的要求，且可根据负载工况同步调整基极电流，适合应用于负载电流变化较大的应用场合。

Description

Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路及其控制方法

技术领域

本发明公开了Buck型双电源碳化硅双极性晶体管（SiC BJT，Silicon Carbide Bipolar Junction Transistor）驱动电路及其控制方法，属于电力电子电路的技术领域。

背景技术

目前文献中针对SiC BJT给出的驱动方式有三种：单电源驱动、双电源驱动电路和离散型双电源驱动。

如图1所示的单电源驱动电路，经低压侧开关管S₁、S₂组成的串联支路接在电源VCC与地之间，电阻R_B接在串联支路中点和SiC BJT基极之间，储能电容C_B接在电阻R_B两端。该驱动电路并不能同时满足驱动损耗最低和开关速度最快的要求。在很多情况下，集电极电流的最大值仅需应用在很短的时间内，在其他的大部分时间内都不需要使用到最大电流。

如图2所示的双电源驱动电路，经低压侧开关管S_1L、S_2L组成的串联支路接在低压电源V_CCL与地之间，电阻R_BL接在串联支路中点和SiC BJT基极之间，高压侧第一开关管S_1H、高压侧第二开关管S_2H组成的串联支路接在高压电源V_CCH与地之间，电阻R_BH、储能电容C_BH组成的支路接在串联支路中点与SiC BJT基极之间。该电路通常根据额定工况来选择电路参数，但实际工作并不总是对应额定工况，这就会使得基极电流在非额定工况时取得过大，造成额外的电路损耗。

如图3所示的离散型双电源驱动电路，R_B1、R_B2…R_Bn，R_SW1、R_SW2…R_SWn组成的开关结构与低压侧开关管S_1L、S_2L串联形成的串联支路接在低压电源V_CCL与地之间，高压侧第一开关管S_1H、高压侧第二开关管S_2H组成的串联支路接在高压电源V_CCH与地之间，电阻R_BH、储能电容C_BH组成的支路接在高压侧开关管串联支路中点与SiC BJT基极之间。该电路的电阻和开关数量过多，会增大驱动电路损耗，且此时的基极电流是有级的不连续的。开关数量的增多也会导致电路结构和控制方法变得复杂。

因此，需要寻求一种能够实现开关管快速开关，减小驱动损耗，基极电流可调，电路结构简单的SiC BJT驱动电路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路及其控制方法，不仅在额定工况下驱动损耗小、开关速度快，而且能根据负载工况及时调整基极电流，使驱动损耗最小，解决了碳化硅双极性晶体管现有驱动电路不能同时满足驱动损耗小、开关速度快，且不能根据负载工况调整基极电流的技术问题。

 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路，包括：高压快速开通支路、低压驱动Buck电路、关断回路开关，其中，

所述高压快速开通支路：一端接高压电源，另一端接碳化硅双极性晶体管基极；

所述低压驱动Buck电路：输入端接低压电源，输出端接关断回路开关；

所述关断回路开关：一端与碳化硅双极性晶体管基极连接，另一端与碳化硅双极性晶体管发射极连接。

作为所述Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路的进一步优化方案，所述低压驱动Buck电路包括：低压侧开关管、续流二极管、电感、防反流二极管，其中，

所述低压侧开关管：一端接低压电源正极，另一端与电感一端、续流二极管阴极相连；

所述防反流二极管：阳极与关断回路开关一端连接；

所述续流二极管阳极、关断回路开关另一端均与低压电源负极相连接。

作为所述Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路的进一步优化方案，高压快速开通支路包括：高压侧第一开关管、高压侧第二开关管、电阻、储能电容，其中，

所述高压侧第一开关管：一端接高压电源，另一端与高压侧第二开关管一端、电阻一端相连；

所述电阻：另一端与储能电容一极连接；

所述高压侧第二开关管另一端接地，储能电容另一极接碳化硅双极性晶体管基极。

进一步的，所述Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路，还包括：输入端接碳化硅双极性晶体管发射极、输出端接低压驱动Buck电路控制端的电流控制电路。

所述Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路的控制方法，包括如下步骤： 

在碳化硅双极性晶体管开通的瞬间：闭合高压侧第一开关管由高压快速开通支路提供碳化硅双极性晶体管导通的基极电流；

在碳化硅双极性晶体管开通后：闭合低压侧开关管由低压驱动Buck电路向碳化硅双极性晶体管提供基极电流；

在碳化硅双极性晶体管关断时：关断高压侧第一开关管、低压侧开关管，闭合高压侧第二开关管、关断回路开关，储能电容经过电阻以及高压侧第二开关管放电，电感电流经防反流二极管、关断回路开关减小到零。

进一步的，所述控制方法中，闭合或关断低压侧开关管的方法为：利用电流控制电路实时采样碳化硅双极性晶体管的发射极电流以控制低压侧开关管的占空比。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）电路采用高压快速开通支路与低压驱动Buck电路相结合的双电源供电形式，可同时满足驱动损耗小和开关速度快的要求；

（2）实时采集碳化硅双极性晶体管发射极电流控制低压Buck电路中开关管的关断，实现了稳态条件下基极电流连续可调，大大减小驱动损耗；

（3）采用较少开关管结构的电路实现碳化硅双极性晶体管的驱动，简化电路结构，减少电路功耗，简化控制方法。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的背景技术中单电源驱动电路。

图2是本发明的背景技术中双电源驱动电路。

图3是本发明的背景技术中离散型双电源驱动电路。

图4是本发明Buck型双电源驱动电路的电路拓扑。

图5是本发明中SiC BJT的理想电流驱动波形。

图6是本发明中Buck型双电源驱动电路中开关时序图。

图中标号说明：S₁、S₂、S₃、S_1L、S_2L为低压侧开关管；S₄为关断回路开关；S_1H、S_2H为高压侧第一、第二开关管；R_B、R_BL、R_BH为电阻；R_B1、R_B2…R_Bn，R_SW1、R_SW2…R_SWn为用来调节SiC BJT基极电流的并联电阻与开关结构；C_B、C_BH为储能电容；L为电感；D₁为续流二极管；D₂为防反流二极管。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路，包括：高压快速开通支路、低压驱动Buck电路、关断回路开关。高压快速开通支路一端接高压电源，高压快速开通支路另一端接碳化硅双极性晶体管基极，低压驱动Buck电路输入端接低压电源，低压驱动Buck电路输出端接关断回路开关，关断回路开关一端与碳化硅双极性晶体管基极连接，关断回路开关另一端与碳化硅双极性晶体管发射极连接。驱动电路采用高压快速开通支路与低压驱动Buck电路相结合的双电源供电形式，可同时满足驱动损耗小和开关速度快的要求。

驱动电路还包括输入端接碳化硅双极性晶体管发射极、输出端接低压驱动Buck电路控制端的电流控制电路。电流控制电路实时采集碳化硅双极性晶体管发射极电流控制低压Buck电路中开关管的关断，实现了稳态条件下基极电流连续可调，大大减小驱动损耗。

由低压侧开关管S₃、S₄，续流二极管D₁，电感L，防反流二极管D₂构成的低压驱动Buck电路如图4所示：低压侧开关管S₃一端接低压电源V_CCL正极，低压侧开关管S₃另一端与电感L一端、续流二极管阴D₁极相连，防反流二极管D₂阳极与关断回路开关S₄一端连接，续流二极管D₁阳极、关断回路开关S₄另一端均与低压电源V_CCL负极相连接。

由高压侧第一、第二开关管S_1H、S_2H，储能电容C_BH和电阻R_BH构成的高压快速开通支路如图4所示：高压侧第一开关管S_1H一端接高压电源V_CCH，高压侧第一开关管S_1H另一端与高压侧第二开关管S_2H一端、电阻R_BH一端相连，电阻R_BH另一端与储能电容C_BH一极连接，高压侧第二开关管S_2H另一端接地，储能电容C_BH另一极接碳化硅双极性晶体管基极。

图6为Buck型双电源SiC BJT驱动电路中的开关时序图，驱动电路的工作原理为：

SiC BJT开通瞬间，闭合高压侧第一开关管S_1H，采用高压电源V_CCH为驱动电路供电，给SiC BJT提供如图5所示的正向脉冲电流，使SiC BJT迅速开通，I_B（m）为SiC BJT开通时的最大脉冲电流值，I_B（av）为SiC BJT导通状态时的平均电流；

SiC BJT开通后，闭合低压侧开关管S₃，使用由低压侧开关管S₃、续流二极管D₁和电感L组成的稳态低压Buck结构驱动SiC BJT；

SiC BJT关断时，高压侧第一开关管S_1H、低压侧开关管S₃断开，高压侧第二开关管S_2H、关断回路开关S₄闭合，SiC BJT基极电流通过关断回路开关S₄迅速减小到零，加快关断速度，同时保证SiC BJT关断过程中基射极电压为零，减小关断损耗。储能电容C_BH上电压通过高压侧第二开关管S_2H降至零，防反流二极管D₂在关断回路开关S₄闭合的瞬间防止反流进入Buck电路。

在驱动电路的控制中，通过对SiC BJT发射极电流采样实时控制低压侧开关管S₃占空比，实现调节基极电流的目的，使基极电流随发射极电流的变化而变化。

可见，在SiC BJT开通时，采用高压电源V_CCH供电以提供较大的脉冲电流，加速开通过程；在SiC BJT稳态导通时采用低压电源V_CCL通过Buck电路供电。通过控制低压侧开关管S₃可调节SiC BJT基极电流的大小，使基极电流跟随发射极电流同步变化。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

（1）电路采用高压快速开通支路与低压驱动Buck电路相结合的双电源供电形式，可同时满足驱动损耗小和开关速度快的要求；

（2）实时采集碳化硅双极性晶体管发射极电流控制低压Buck电路中开关管的关断，实现了稳态条件下基极电流连续可调，大大减小驱动损耗；

（3）采用较少开关管结构的电路实现碳化硅双极性晶体管的驱动，简化电路结构，减少电路功耗，简化控制方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路，其特征在于，包括：高压快速开通支路、低压驱动Buck电路、关断回路开关，其中，

所述高压快速开通支路：一端接高压电源，另一端接碳化硅双极性晶体管基极；

所述低压驱动Buck电路：输入端接低压电源，输出端接关断回路开关；

所述关断回路开关：一端与碳化硅双极性晶体管基极连接，另一端与碳化硅双极性晶体管发射极连接。

2.根据权利要求1所述的Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路，其特征在于，所述低压驱动Buck电路包括：低压侧开关管（S₃）、续流二极管（D₁）、电感（L）、防反流二极管（D₂），其中，

所述低压侧开关管（S₃）：一端接低压电源正极，另一端与电感（L）一端、续流二极管阴（D₁）极相连；

所述防反流二极管（D₂）：阳极与关断回路开关一端连接；

所述续流二极管（D₁）阳极、关断回路开关另一端均与低压电源负极相连接。

3.根据权利要求2所述的Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路，其特征在于，所述高压快速开通支路包括：高压侧第一开关管（S_1H）、高压侧第二开关管（S_2H）、电阻（R_BH）、储能电容（C_BH），其中，

所述高压侧第一开关管（S_1H）：一端接高压电源，另一端与高压侧第二开关管（S_2H）一端、电阻（R_BH）一端相连；

所述电阻（R_BH）：另一端与储能电容（C_BH）一极连接；

所述高压侧第二开关管（S_2H）另一端接地，储能电容（C_BH）另一极接碳化硅双极性晶体管基极。

4.根据权利要求1或2或3所述的Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括：输入端接碳化硅双极性晶体管发射极、输出端接低压驱动Buck电路控制端的电流控制电路。

5.权利要求3所述Buck型双电源碳化硅双极性晶体管驱动电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

在碳化硅双极性晶体管开通的瞬间：闭合高压侧第一开关管（S_1H）由高压快速开通支路提供碳化硅双极性晶体管导通的基极电流；

在碳化硅双极性晶体管开通后：闭合低压侧开关管（S₃）由低压驱动Buck电路向碳化硅双极性晶体管提供基极电流；

在碳化硅双极性晶体管关断时：关断高压侧第一开关管（S_1H）、低压侧开关管（S₃），闭合高压侧第二开关管（S_2H）、关断回路开关，储能电容（C_BH）经过电阻（R_BH）以及高压侧第二开关管（S_2H）放电，电感（L）电流经防反流二极管（D₂）、关断回路开关减小到零。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，闭合或关断低压侧开关管（S₃）的方法为：利用电流控制电路实时采样碳化硅双极性晶体管的发射极电流以控制低压侧开关管（S₃）的占空比。