CN105634261B - 一种具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明所解决的技术问题在于提供一种具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，通过在驱动电路中增加自保护电路，使其在直通故障时对下管SiC JFET的栅极施加一个负向安全偏置电压，迫使下管SiC JFET快速关断，达到直通保护的目的，驱动电路中的辅助电路能有效抑制误导通，减少自保护电路动作次数，从而减少驱动电路的功耗，提高直通保护能力。

Description

一种具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路
技术领域
本发明属于电力电子电路领域，尤其是涉及一种具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路。
背景技术
由于SiC JFET(Silicon Carbide Junction Field Effect Transistor)具有热导率高、通态电阻低、开关速度快等性能优势，非常适用于高温、高效、高频场合得到广泛应用。SiC JFET功率器件有常通型和常断型两种类型。相比常通型SiC JFET，常断型SiC JFET的通态电阻较大，且驱动较为复杂；另外，常断型SiC JFET阈值电压很低(小于0.7V)，易受干扰而导致误导通，不适合用于高频桥臂电路。
桥臂电路是各类桥式电力电子变换器中的基本单元，若驱动和保护电路设计不合理，很容易发生直通故障，导致开关管产生额外的功率损耗，严重时甚至损坏器件，使电路无法正常工作。另外，常通型JFET栅极击穿电压与夹断电压仅相差几伏，在快速开关瞬态，高dv/dt与器件的寄生参数相互作用会使栅源极电压产生振荡，易导致器件误开通。
另外，对于常通型器件组成的桥臂电路，若上电瞬间驱动电路不能快速提供足够高的负向关断电压或驱动电源断电时，也会导致桥臂直通。此外，常通型SiC JFET的夹断电压具有负温度系数，高温环境下栅极击穿电压与夹断电压之间的差值更小，使得直通问题更加严峻。因此，对于常通型SiC JFET构成的桥臂电路，必须要有直通保护电路以确保电路安全可靠工作。
目前，国内外对于常通型SiC JFET桥臂直通保护方法的研究较少。直通保护的常用办法是在电路中串联一个继电器或固态断路开关，但是由于其响应时间较长，并不能满足SiC JFET桥臂直通保护的快速性要求。另外一种办法是桥臂上、下管驱动电路采用互锁结构或在驱动信号中加入死区时间，但是这种办法并不能解决上电瞬间驱动电路不能快速提供足够高的负向关断电压或驱动电源断电导致的直通问题，不适合用于常通型SiC JFET桥臂电路。
因此，需要寻求一种能够实现直通保护且低损耗、高可靠性的常通型SiC JFET驱动电路。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，通过在驱动电路中增加自保护电路，使其在直通故障时对下管SiC JFET的栅极施加一个负向安全偏置电压，迫使下管SiC JFET快速关断，达到直通保护的目的，驱动电路中的辅助电路能有效抑制误导通，减少自保护电路动作次数，从而减少驱动电路的功耗，提高直通保护能力。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，包括：
自保护电路，其输入端接入母线电压，输出端与桥臂电路下管相连；
桥臂电路下管，包括下管驱动模块、下管辅助电路和下管SiC JFET，所述下管驱动模块和下管辅助电路并联连接后一端与下管SiC JFET的栅极相连，另一端与下管SiC JFET的源极相连；
桥臂电路上管，包括上管驱动模块、上管辅助电路和上管SiC JFET，所述上管驱动模块和上管辅助电路并联连接后一端与上管SiC JFET的栅极相连，另一端与上管SiC JFET的源极相连，上管SiC JFET的源极还与下管SiC JFET的漏极相连。
进一步的，本发明的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，所述自保护电路包括线性调压器、快速DC/DC变换器、固态开关管S3、控制器和信号调理电路，其中，线性调压器、快速DC/DC变换器和固态开关管S3依次相连，固态开关管S3的受控端和快速DC/DC变换器的受控端均与控制器相连，控制器通过信号调理电路与下管SiC JFET的漏极、上管SiCJFET的源极相连。
进一步的，本发明的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，所述下管辅助电路包括下管辅助电容C2和下管辅助开关管S2，下管辅助电容C2和下管辅助开关管S2串联连接。
进一步的，本发明的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，所述上管辅助电路包括上管辅助电容C1和上管辅助开关管S1，上管辅助电容C1和上管辅助开关管S1串联连接。
进一步的，本发明的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，所述下管驱动模块包括下管驱动电阻R2、下管驱动芯片和下管直流电压输入U2，下管驱动电阻R2、下管驱动芯片和下管直流电压输入U2依次相连，下管驱动芯片的输入端接入驱动信号。
进一步的，本发明的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，所述上管驱动模块包括上管驱动电阻R1、上管驱动芯片和上管直流电压输入U1，上管驱动电阻R1、上管驱动芯片和上管直流电压输入U1依次相连，上管驱动芯片的输入端接入驱动信号。
进一步的，本发明的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，所述信号调理电路通过电流传感器与下管SiC JFET的漏极、上管SiC JFET的源极相连。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路采用自保护电路，解决了上电瞬间或驱动电源故障时直通问题；
2、本发明的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，在桥臂电路正常工作时，自保护电路不工作，有利于降低电路损耗；
3、本发明的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路采用辅助电路，结构简单，能有效抑制SiC JFET因寄生参数等因素导致的误导通，降低直通的可能性，减少自保护电路的动作次数，从而进一步降低了电路损耗，增强了电路的可靠性。
附图说明
图1是本发明一种具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路的拓扑结构；
图2是本发明中驱动芯片和辅助电路的开关时序图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。
一种具有直通保护的常通型碳化硅结型场效应晶体管(SiC JFET)驱动电路，如图1所示，包括：自保护电路、桥臂电路上管、桥臂电路下管。自保护电路输入端接母线电压，输出端接桥臂电路下管Q2；桥臂电路下管，包括下管驱动模块、下管辅助电路和下管SiCJFET，所述下管驱动模块和下管辅助电路并联连接后一端与下管SiC JFET的栅极相连，另一端与下管SiC JFET的源极相连；桥臂电路上管，包括上管驱动模块、上管辅助电路和上管SiC JFET，所述上管驱动模块和上管辅助电路并联连接后一端与上管SiC JFET的栅极相连，另一端与上管SiC JFET的源极相连，上管SiC JFET的源极还与下管SiC JFET的漏极相连。
自保护电路包括线性调压器、快速DC/DC变换器、固态开关管S3、控制器和信号调理电路，如图1所示。线性调压器一端接母线电压，另一端与快速DC/DC变换器输入端相连；快速DC/DC变换器的输出端与固态开关管S3的一端连接；固态开关管S3的另一端与桥臂电路下管Q2的驱动芯片的输出端相接。控制器的输入端接信号调理电路，输出端接快速DC/DC变换器受控端和固态开关S3受控端；信号调理电路一端与电流传感器连接，另一端与控制器连接。
上管辅助电路包括辅助电容C1和辅助开关管S1，辅助电容C1的一端接上管SiCJFET的栅极，另一端与辅助开关管S1的一端相连；辅助开关管S1的另一端与上管SiC JFET的源极相连。
下管辅助电路包括辅助电容C2和辅助开关管S2，辅助电容C2的一端接下管SiCJFET的栅极，另一端与辅助开关管S2的一端相连；辅助开关管S2的另一端与下管SiC JFET的源极相连。
图2是驱动芯片和辅助电路的开关时序图，其工作原理为：
t0-t1时间段，Q1、Q2都处于关断状态，即处于死区时间段。t1时刻，辅助开关管S1开通。此时，Q1、Q2仍处于关断状态，辅助电容C1通过辅助开关管S1并联到Q1的栅源极之间，由于辅助电容C1容值远大于Q1的栅源极寄生电容容值，故为密勒电流提供了一个低阻抗的回路。
t2时刻，Q2开通。此时，辅助开关管S2处于关断状态，辅助电容C2与Q2栅源极断开，故辅助电容C2对Q2的开通没有影响。同时，由于辅助开关管S1处于开通状态，辅助电容C1已经并联在Q1栅源极之间，为Q1漏源极电压变化引起的密勒电流提供了低阻抗回路，从而抑制了Q1栅源极电压的上升。
t3时刻，Q2关断。由于辅助开关管S1仍然处于开通状态，辅助电容C1仍并联在Q1栅源极，为密勒电流提供低阻抗的回路，从而抑制Q1栅源极电压的下降。
t4时刻，Q2已完全关断。此时，辅助开关管S1关断，将辅助电容C1从栅极回路中移除。同时，辅助开关管S2开通，辅助电容C2通过辅助开关管S2并联到Q2的栅源极之间。
[t4-t7]的工作原理与[t1-t4]的工作原理类似，不再赘述。
以上所述为桥臂电路处于正常工作状态，此时快速DC/DC变换器在控制器的作用下并不工作，以减小电路损耗，且固态开关管S3也一直处于关断状态。一旦发生直通故障，桥臂电流经电流传感器和信号调理电路给控制器一个反馈信号，控制器开通固态开关管S3，同时使快速DC/DC变换器工作，给Q2栅极快速提供一个负向安全偏置电压，迫使其快速关断，达到直通保护的目的。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，其特征在于，包括：
自保护电路，其输入端接入母线电压，输出端与桥臂电路下管相连；
桥臂电路下管，包括下管驱动模块、下管辅助电路和下管SiC JFET，所述下管驱动模块和下管辅助电路并联连接后一端与下管SiC JFET的栅极相连，另一端与下管SiCJFET的源极相连；
桥臂电路上管，包括上管驱动模块、上管辅助电路和上管SiC JFET，所述上管驱动模块和上管辅助电路并联连接后一端与上管SiC JFET的栅极相连，另一端与上管SiCJFET的源极相连，上管SiC JFET的源极还与下管SiC JFET的漏极相连；
所述自保护电路包括线性调压器、快速DC/DC变换器、固态开关管S3、控制器和信号调理电路，其中，线性调压器、快速DC/DC变换器和固态开关管S3依次相连，固态开关管S3的受控端和快速DC/DC变换器的受控端均与控制器相连，控制器通过信号调理电路与下管SiCJFET的漏极、上管SiC JFET的源极相连。
2.根据权利要求1所述的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，其特征在于，所述下管辅助电路包括下管辅助电容C2和下管辅助开关管S2，下管辅助电容C2和下管辅助开关管S2串联连接。
3.根据权利要求1所述的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，其特征在于，所述上管辅助电路包括上管辅助电容C1和上管辅助开关管S1，上管辅助电容C1和上管辅助开关管S1串联连接。
4.根据权利要求1所述的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，其特征在于，所述下管驱动模块包括下管驱动电阻R2、下管驱动芯片和下管直流电压输入U2，下管驱动电阻R2、下管驱动芯片和下管直流电压输入U2依次相连，下管驱动芯片的输入端接入驱动信号。
5.根据权利要求1所述的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，其特征在于，所述上管驱动模块包括上管驱动电阻R1、上管驱动芯片和上管直流电压输入U1，上管驱动电阻R1、上管驱动芯片和上管直流电压输入U1依次相连，上管驱动芯片的输入端接入驱动信号。
6.根据权利要求1所述的具有直通保护的常通型SiC JFET驱动电路，其特征在于，所述信号调理电路通过电流传感器与下管SiC JFET的漏极、上管SiC JFET的源极相连。
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