CN105846665A - 一种具有自保护功能的常通型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自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路。当驱动电源故障导致桥臂直通时，自保护电路中辅助电容放电，在SiC JFET栅源极施加一个负向关断电压，迫使其快速关断，使控制器能够在安全时间范围内切断电源，达到保护的目的。另外，驱动输出采用RCD结构，既可以实现SiC JFET高速开关，又可以抑制密勒电流引起的栅极电压振荡，是一种适用于高速桥臂结构的常通型SiC JFET驱动电路。

Description

一种具有自保护功能的常通型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自保护功能的常通型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。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。
与常断型器件不同，常通型器件组成的桥臂电路，一旦驱动电源断电，同样会导致桥臂直通。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驱动电源断电情况下导致的直通问题，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自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路，当驱动电源故障导致桥臂直通时，自保护电路中辅助电容放电，在SiC JFET栅源极施加一个负向关断电压，迫使其快速关断，使控制器能够在安全时间范围内切断电源，达到保护的目的。另外，驱动输出采用RCD结构，即可以实现SiC JFET高速开关，又可以抑制密勒电流引起的栅极电压振荡，是一种适用于高速桥臂结构的常通型SiC JFET驱动电路。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种具有自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路，包括桥臂电路、控制器、驱动模块和自保护电路；
所述桥臂电路包括顺次连接的直流母线电压UDC、固态开关管S1、上管SiC JFET和下管SiC JFET；
所述控制器输入端接驱动信号，输出端与驱动模块输入端相连；
所述驱动模块包括驱动芯片和RCD输出网络，所述驱动芯片和RCD输出网络串联连接后一端与控制器输出端相连，另一端与下管SiC JFET的栅极相连；
所述自保护电路包括电源监测模块、预充电模块、MOSFET开关管Q3和二极管D3；所述MOSFET开关管Q3的漏极与二极管D3的阴极相连，MOSFET开关管Q3的栅极与电源监测模块相连，MOSFET开关管Q3的源极与预充电模块相连；所述二极管D3的阴极连接控制器使能端和驱动芯片使能端，二极管D3的阳极与下管SiC JFET栅极相连。
进一步的，本发明的自保护电路，所述电源监测模块包括驱动电源Uee、电阻R4～R7、光耦M1、光耦M2和稳压管Z1；所述电阻R6一端接光耦M2正向输入端，另一端接驱动电源Uee；电阻R7一端接光耦M2反向输入端和稳压管Z1阴极相连，另一端接驱动电源Uee；电阻R4一端接光耦M2输出端，另一端接光耦M1反向输入端；电阻R5一端与光耦M1输出端相连，另一端与MOSFET开关管Q3栅极相连。
进一步的，本发明的的自保护电路，所述预充电模块包括电源-Uee、电阻R8～R10、二极管D4、稳压管Z2、MOSFET开关管Q4和电解电容C2；所述二极管D4阴极与电阻R8相连，阳极与电解电容C2负极相连，R8另一端与MOSFET开关管Q4漏极相连；稳压管Z2阳极与电阻R9、电阻R10相连，阴极与电解电容C2正极相连，R9另一端与Q2栅极相连，R10另一端与电源-Uee相连；电解电容C2负极与MOSFET开关管Q3的源极相连。
进一步的，本发明的具有自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路，所述RCD输出网络包括电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、二极管D1、二极管D2；所述电容C1和电阻R3串联、二极管D1的阴极和电阻R1串联、二极管D2的阳极和电阻R2串联；电容C1另一端与二极管D1的阳极、二极管D2的阴极相连，电阻R1另一端与电阻R2、电阻R3另一端相连。
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、本发明的具有自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路解决了驱动电源故障时直通问题；当驱动电源故障导致桥臂直通时，自保护电路中辅助电容放电，在SiC JFET栅源极施加一个负向关断电压，迫使其快速关断，使控制器能够在安全时间范围内切断电源，达到保护的目的；
2、本发明的具有自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路采用RCD驱动输出结构，既实现了SiC JFET高速开关，又可以抑制密勒电流引起的栅极电压振荡，降低了直通可能性，增强了电路的可靠性；
3、本发明的具有自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路中的自保护电路无需额外的控制电路，可与常用的常通型SiC JFET驱动电路兼容，便于集成。
附图说明
图1是本发明的常通型SiC JFET RCD驱动电路的原理图；
图2是本发明的自保护电路原理图。
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。
一种具有自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路，如图1和图2所示，包括：桥臂电路、控制器、驱动模块和自保护电路。桥臂电路包括直流母线电压UDC、固态开关管S1、上管SiC JFET和下管SiC JFET，四者依次相连；控制器的输入端接驱动信号，输出端与驱动模块输入端相连；驱动模块，包括驱动芯片和RCD输出网络，所述驱动芯片和RCD输出网络串联连接后一端与控制器输出端相连，另一端与下管SiC JFET的栅极相连；自保护电路一端与下管SiC JFET栅极相连，另一端与控制器和驱动芯片使能端相连。
RCD输出网络包括电容C1、电阻R1、R2、R3和二极管D1、D2，其中，电容C1和电阻R3串联、二极管D1的阴极和电阻R1串联、二极管D2的阳极和电阻R2串联；电容C1另一端与二极管D1的阳极、二极管D2的阴极相连，电阻R1另一端与电阻R2、R3另一端相连。
自保护电路包括电源监测模块、预充电模块、MOSFET开关管Q3和二极管D3，其中，Q3的漏极与二极管D3的阴极相连，Q3的栅极与电源监测模块相连，Q3的源极与预充电模块相连。
电源监测模块包括驱动电源Uee、电阻R4、R5、R6、R7、光耦M1、M2和稳压管Z1，其中，电阻R6接光耦M2正向输入端，另一端接驱动电源Uee；电阻R7与接光耦M2反向输入端和稳压管Z1阴极相连，另一端接驱动电源Uee；电阻R4一端接光耦M2输出端，另一端接光耦M1反向输入端；电阻R5一端与光耦M1输出端相连，另一端与MOSFET开关管Q3栅极相连。
预充电模块包括电源-Uee、电阻R8、R9、R10、二极管D4、稳压管Z2、MOSFET开关管Q4和电解电容C2，其中，二极管D4阴极与电阻R8相连，阳极与电解电容C2负极相连，R8另一端与Q4漏极相连；稳压管阳极与电阻R9、R10相连，阴极与电解电容C2正极相连，R9另一端与Q2栅极相连，R10另一端与电源-Uee相连。
一种具有自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路，其工作原理为：
SiC JFET处于导通状态时，Ucc通过二极管D1、电阻R1给SiC JFET提供稳态漏电流，通过调节电阻R1可设定SiC JFET的稳定工作点，此时，电容C1两端电压为Ucc-Ugs。
SiC JFET关断时，-Uee通过电容C1、电阻R3给SiC JFET提供关断脉冲电流，由于此时电容C1电压与-Uee串联，大大提高了关断速度，通过调节电阻R3可对电容C1放电时间进行设定。
SiC JFET处于截止状态时，-Uee通过二极管D2、电阻R2给SiC JFET提供稳态漏电流，为防止SiC JFET栅极寄生二极管反向击穿，电阻R2取值较大。此时，电容C1端电压近似为零。
SiC JFET开通时，Ucc通过电容C1、电阻R3给SiC JFET提供开通脉冲电流，由于此时电容C1端电压近似为零，大大提高了开通速度。
以上所述为桥臂电路处于正常工作状态，固态开关管S1闭合。此时，驱动电源正常，光耦M2输入高电平，其输出为GND，经光耦M1后，输出-Uee，由于在稳压管Z2作用下，MOSFET开关管Q4栅源极电压约为5V，Q4导通，-Uee经Q4、二极管D4和电阻R8给电解电容C2充电，最终电解电容C2负极电位为-Uee，即MOSFET开关管Q3源极电位为-Uee，故Q3栅源极电压为0V，Q3处于截止状态。此时，EN为高电平。
一旦驱动电源故障(小于稳压管Z1稳压值)，光耦M2输入变为低电平，其输出为-Uee，经光耦M1后，输出GND，Q3栅源极电压变为Uee，Q3开通，同时由于Q4栅源极电压降为0V，Q4关断。电解电容C2通过Q3、二极管D3给Q2栅极快速提供一个负向偏置电压，迫使其快速关断，此时EN变为低电平，控制器控制固态开关管S1，使其断开，切除直流母线电源，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 (4)

1.一种具有自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路，其特征在于，包括桥臂电路、控制器、驱动模块和自保护电路；
所述桥臂电路包括顺次连接的直流母线电压UDC、固态开关管S1、上管SiC JFET和下管SiCJFET；
所述控制器输入端接驱动信号，输出端与驱动模块输入端相连；
所述驱动模块包括驱动芯片和RCD输出网络，所述驱动芯片和RCD输出网络串联连接后一端与控制器输出端相连，另一端与下管SiC JFET的栅极相连；
所述自保护电路包括电源监测模块、预充电模块、MOSFET开关管Q3和二极管D3；所述MOSFET开关管Q3的漏极与二极管D3的阴极相连，MOSFET开关管Q3的栅极与电源监测模块相连，MOSFET开关管Q3的源极与预充电模块相连；所述二极管D3的阴极连接控制器使能端和驱动芯片使能端，二极管D3的阳极与下管SiC JFET栅极相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路，其特征在于，所述电源监测模块包括驱动电源Uee、电阻R4～R7、光耦M1、光耦M2和稳压管Z1；所述电阻R6一端接光耦M2正向输入端，另一端接驱动电源Uee；电阻R7一端接光耦M2反向输入端和稳压管Z1阴极相连，另一端接驱动电源Uee；电阻R4一端接光耦M2输出端，另一端接光耦M1反向输入端；电阻R5一端与光耦M1输出端相连，另一端与MOSFET开关管Q3栅极相连。
3.根据权利要求1所述的一种具有自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路，其特征在于，所述预充电模块包括电源-Uee、电阻R8～R10、二极管D4、稳压管Z2、MOSFET开关管Q4和电解电容C2；所述二极管D4阴极与电阻R8相连，阳极与电解电容C2负极相连，R8另一端与MOSFET开关管Q4漏极相连；稳压管Z2阳极与电阻R9、电阻R10相连，阴极与电解电容C2正极相连，R9另一端与Q2栅极相连，R10另一端与电源-Uee相连；电解电容C2负极与MOSFET开关管Q3的源极相连。
4.根据权利要求1所述的一种具有自保护功能的常通型SiC JFET驱动电路，其特征在于，所述RCD输出网络包括电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、二极管D1、二极管D2；所述电容C1和电阻R3串联、二极管D1的阴极和电阻R1串联、二极管D2的阳极和电阻R2串联；电容C1另一端与二极管D1的阳极、二极管D2的阴极相连，电阻R1另一端与电阻R2、电阻R3另一端相连。
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