CN105871230B - 一种SiC MOSFET管的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种SiC MOSFET管的驱动电路，包括信号接收电路、电平转换电路、推挽放大电路、桥臂串扰抑制电路、全桥整流电路、第一隔离变压器和第二隔离变压器。本发明采用隔离变压器实现驱动电路与控制电路的隔离，使控制电路能够在常温环境中工作，在克服了耐高温控制集成芯片获取困难的基础上，还具备高温工作能力，并减小了线路寄生参数；采用辅助耐高温BJT管与SiC MOSFET管互补导通，开关管关断时在驱动电路中接入并联电容，抑制桥臂电路串扰现象。

Description

一种SiC MOSFET管的驱动电路
技术领域
本发明属电力电子领域，尤其是一种SiC MOSFET管的驱动电路。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，多电飞机、电动汽车、石油钻井等领域对电力电子变换器提出了更高的要求，需要其能够在高温环境下可靠工作。新型SiC功率器件结温承受能力较高，结合高温封装技术，可在高达200℃以上环境温度下工作，这为高温电力电子变换器的设计提供了可能。驱动电路作为控制电路和功率器件之间的重要接口，决定着器件性能的发挥。尽管碳化硅器件具有高速开关能力，但这却需要较好的驱动电路设计才能使其充分发挥高速开关能力。为了充分利用SiC器件的高速工作能力，其驱动电路必须与功率器件尽可能靠近以降低驱动回路的寄生参数，因此驱动电路也必须能够满足高温工作的要求。但是，目前常用的Si基驱动芯片最高只能工作在125℃，无法承受更高温度，必须设立单独的驱动板，与SiC功率模块保持一段距离，防止功率电路损耗产生的热量传到驱动电路，影响驱动电路正常工作。单独的驱动板通过较长的引线与SiC功率模块相连，这就在驱动芯片和SiC功率模块之间引入了寄生电感，不仅对SiC器件高速开关不利，且增加了电路所占空间，不利于变换器的小型化。
另外，桥臂电路含有两个串联的互补导通的开关器件，是功率变换器中最为常用的电路结构，SiC功率器件高速工作时，由于SiC MOSFET栅极门槛电压和负向最大电压承受能力均较低，因此会引起桥臂串扰问题，危及电路安全。目前常用的解决办法有以下几种：①在栅源极并联额外的电容为密勒电流提供分流支路；②增加栅极关断负偏压；③有源密勒箝位驱动电路。
目前文献中针对SiC MOSFET给出的耐高温驱动方式主要为基于高温集成绝缘硅SOI技术的驱动电路。这些驱动电路拓扑结构虽然能够承受200℃以上的高温恶劣环境，仍性能仍不够稳定，且未考虑桥臂电路串扰抑制的要求。
因此，为满足宽温度范围下的SiC MOSFET驱动能力及桥臂串扰抑制功能，迫切需要寻求一种具有耐高温工作能力、桥臂串扰抑制能力及低寄生参数的SiC MOSFET驱动电路设计方法。
发明内容
发明目的：为了克服传统电力电子变换器不能承受高温恶劣环境的缺陷，使基于SiC器件的电力电子变换器能够在高温条件下可靠工作，克服高温环境下SiC基桥臂电路更加严峻的桥臂串扰问题，本发明提出一种SiC MOSFET管的驱动电路。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种SiC MOSFET管的驱动电路，该电路跨接在SiC MOSFET管和SiC MOSFET管的控制电路之间，将控制电路输出的控制信号转换为SiC MOSFET管栅源极之间的驱动电压，控制SiC MOSFET管启动或关断；
该电路包括信号接收电路、电平转换电路、推挽放大电路、桥臂串扰抑制电路、全桥整流电路、第一隔离变压器和第二隔离变压器；
信号接收电路通过第一隔离变压器与SiC MOSFET管的控制电路相连，将控制电路输出的控制信号传递给电平转换电路；电平转换电路将控制信号转换为推挽放大电路的输入电平V4g；推挽放大电路的输出端两臂均与SiC MOSFET管的栅极相连，并根据输入电平V4g控制SiC MOSFET管导通或截止；
全桥整流电路通过第二隔离变压器与外接电源相连，形成所述驱动电路的电源电路，并为所述驱动电路供电；
桥臂串扰抑制电路包括PNP型BJT管Q8和辅助电容Ca，Q8的基极与推挽放大电路的输入端相连，Q8的发射极与SiC MOSFET管的源级相连，Q8的集电极通过Ca与SiC MOSFET管的栅极相连；Ca＞＞CGS，CGS为SiC MOSFET管的栅源极电容。
进一步的，所述全桥整流电路包括由桥式连接的二极管D1～D4构成的整流桥、滤波电容C0、稳压管Z1、Z2和限流电阻R；整流桥的输入端与第二隔离变压器的副边相连，C0跨接在整流桥的正、负输出端之间；Z1的阳极接整流桥负输出端，Z1的阴极与Z2的阳极相连，Z2的阴极接整流桥正输出端，Z1、Z2之间串联R；所述全桥整流电路设有三个输出端：整流桥的正输出端为全桥整流电路的第一输出端，为推挽放大电路提供参考电压V2；R与Z1的连接点为全桥整流电路的第二输出端，为SiC MOSFET管提供源级电压V1；整流桥的负输出端为全桥整流电路第三输出端，其输出的电压V0作为地线电压。
进一步的，所述信号接收电路包括NPN型BJT管Q1、Q2、分压电阻R1～R6和防反流二极管D5、D6；Q1、Q2的发射极接地；Q1基极与D5的阳极相连，同时，Q1的基极通过R2与Q2的集电极相连，D5的阴极接有R1，R1的另一端接地；Q1的集电极通过R4与Q2的基极相连，同时Q1的集电极通过串联的R3、R6与Q2的集电极相连；Q2的基极与D6的阳极相连，D6的阴极通过R5接地；所述信号接收电路中，R1～R3和D5构成Q1的分压电路；R4～R6和D6构成Q2的分压电路；信号接收电路设有两个输入端和一个输出端：D5阴极与R1的连接点为信号接收电路的第一输入端A，D6阴极与R5的连接点为信号接收电路的第二输入端B，第一输入端A和第二输入端B分别与第一隔离变压器副边的正、负极相连；Q2的集电极为信号接收电路的输出端。
进一步的，所述电平转换电路包括NPN型BJT管Q3、分压电阻R7～R9、防反流二极管D7及隔直电容C1～C3；其中，R7、R8串联，R8的另一端接地，R7的另一端与D7的阴极相连，D7的阳极与所述全桥整流电路的第二输出端相连，同时D7的阳极通过C3与所述全桥整流电路的第一输出端相连；C1一端与D7阴极相连，另一端接地；C2一端与D7阳极相连，另一端接地；Q3的基极与R7、R8的连接点相连；Q3的发射极作为电平转换电路的输入端与所述信号接收电路的输出端相连；Q3的集电极通过与R9与全桥整流电路的第一输出端相连，同时，Q3的集电极作为电平转换电路的输出端并与推挽放大电路的输入端相连。
进一步的，所述推挽放大电路包括由NPN型BJT管Q4、Q6和PNP型BJT管Q5、Q7组成的两级达林顿结构；其中，Q4、Q5基极相连，Q6、Q7基极相连，Q4、Q6的集电极与全桥整流电路的第一输出端相连，Q5、Q7的发射极接地；Q4的发射极与Q5的集电极相连，同时Q4的发射极与Q6的基极相连；Q4、Q5基极的连接点作为推挽放大电路的输入端，Q6的发射极通过串联的电阻R10、R11与Q7的集电极相连，电阻R10和R11的连接点作为推挽放大电路的输出端并与SiC MOSFET管的栅极相连。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、采用隔离变压器实现驱动电路与控制电路的隔离，控制电路能够在常温环境中工作，在克服了耐高温控制集成芯片获取困难的基础上，还具备高温工作能力，
2、减少驱动芯片与功率电路之间的距离，降低寄生参数对驱动电路的影响；
3、采用辅助耐高温BJT管与SiC MOSFET互补导通，采用栅源极并联外部电容及增加栅极关断负偏压的方法抑制驱动电路桥臂串扰现象。
附图说明
图1是现有技术中耐高温SiC基驱动电路结构图；
图2是本发明实施例中全桥整流电路图；
图3是本发明实施例中信号接收电路图；
图4是本发明实施例中电平转换电路图；
图5是本发明实施例中推挽放大电路图；
图6是本发明实施例整体驱动电路结构图；
图7是图6所示电路图中各个BJT管基极和SiC MOSFET栅源极在控制信号VA下的电压波形时序对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图2至图6所示为本实施例的驱动电路结构图，该电路包括信号接收电路、电平转换电路、推挽放大电路、桥臂串扰抑制电路、全桥整流电路、第一隔离变压器和第二隔离变压器；
全桥整流电路包括由桥式连接的二极管D1～D4构成的整流桥、滤波电容C0、稳压管Z1、Z2和限流电阻R；整流桥的输入端与第二隔离变压器的副边相连，C0跨接在整流桥的正、负输出端之间；Z1的阳极接整流桥负输出端，Z1的阴极与Z2的阳极相连，Z2的阴极接整流桥正输出端，Z1、Z2之间串联R；所述全桥整流电路设有三个输出端：整流桥的正输出端为全桥整流电路的第一输出端，为推挽放大电路提供参考电压V2；R与Z1的连接点为全桥整流电路的第二输出端，为SiC MOSFET管提供源级电压V1；整流桥的负输出端为全桥整流电路第三输出端，其输出的电压V0作为地线电压。
信号接收电路包括NPN型BJT管Q1、Q2、分压电阻R1～R6和防反流二极管D5、D6；Q1、Q2的发射极接地；Q1基极与D5的阳极相连，同时，Q1的基极通过R2与Q2的集电极相连，D5的阴极接有R1，R1的另一端接地；Q1的集电极通过R4与Q2的基极相连，同时Q1的集电极通过串联的R3、R6与Q2的集电极相连；Q2的基极与D6的阳极相连，D6的阴极通过R5接地；所述信号接收电路中，R1～R3和D5构成Q1的分压电路；R4～R6和D6构成Q2的分压电路；信号接收电路设有两个输入端和一个输出端：D5阴极与R1的连接点为信号接收电路的第一输入端A，D6阴极与R5的连接点为信号接收电路的第二输入端B，第一输入端A和第二输入端B分别与第一隔离变压器副边的正、负极相连；Q2的集电极为信号接收电路的输出端。
电平转换电路包括NPN型BJT管Q3、分压电阻R7～R9、防反流二极管D7及隔直电容C1～C3；其中，R7、R8串联，R8的另一端接地，R7的另一端与D7的阴极相连，D7的阳极与所述全桥整流电路的第二输出端相连，同时D7的阳极通过C3与所述全桥整流电路的第一输出端相连；C1一端与D7阴极相连，另一端接地；C2一端与D7阳极相连，另一端接地；Q3的基极与R7、R8的连接点相连；Q3的发射极作为电平转换电路的输入端与所述信号接收电路的输出端相连；Q3的集电极通过与R9与全桥整流电路的第一输出端相连，同时，Q3的集电极作为电平转换电路的输出端并与推挽放大电路的输入端相连。
推挽放大电路包括由NPN型BJT管Q4、Q6和PNP型BJT管Q5、Q7组成的两级达林顿结构；其中，Q4、Q5基极相连，Q6、Q7基极相连，Q4、Q6的集电极与全桥整流电路的第一输出端相连，Q5、Q7的发射极接地；Q4的发射极与Q5的集电极相连，同时Q4的发射极与Q6的基极相连；Q4、Q5基极的连接点作为推挽放大电路的输入端，Q6的发射极通过串联的电阻R10、R11与Q7的集电极相连，电阻R10和R11的连接点作为推挽放大电路的输出端并与SiC MOSFET管的栅极相连。
桥臂串扰抑制电路包括PNP型BJT管Q8和辅助电容Ca，Q8的基极与推挽放大电路的输入端相连，Q8的发射极与SiC MOSFET管的源级相连，Q8的集电极通过Ca与SiC MOSFET管的栅极相连；Ca＞＞CGS，CGS为SiC MOSFET管的栅源极电容。
本实施例的工作原理为：
当第一隔离变压器副边输出为低电平时，即VA为低电平时，BJT管Q2，Q3导通，由于二极管D5存在导通压降，此时耐高温BJT管Q1亦导通。Q1导通后其集电极和发射极之间的电压VCE sat不足以维持Q2处于饱和导通状态，因此Q2、Q3关断，Q4、Q6导通，SiC MOSFET管的驱动状态为正电压导通。当第一隔离变压器副边输出为高电平时，耐高温BJT管Q1关断，Q2、Q3、Q5、Q7导通，SiC MOSFET管的驱动状态为负压关断。
在本实施例中，将容值远大于SiC MOSFET管栅源极电容CGS的外部电容Ca接入驱动电路，为SiC MOSFET管栅源极电容CGS提供低阻抗放电回路，同时限制了SiC MOSFET的关断速度过快，缓解SiC MOSFET的关断串扰问题。而在推挽输出电路的上桥臂开关管正常开通时关闭辅助BJT管Q8，减小对开关性能的影响。
当控制信号VA为高电平时，耐高温BJT管Q2、Q3导通，二极管D1反向截止，耐高温BJT管Q1处于截止状态，故Q5，Q7导通，输出驱动信号为-5V。
当控制信号为低电平时，二极管D1导通压降为耐高温BJT管Q1提供基极电压，使耐高温BJT管Q2、Q3处于截止状态，故Q4，Q6导通，输出驱动信号为20V。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种SiC MOSFET管的驱动电路，其特征在于，包括信号接收电路、电平转换电路、推挽放大电路、桥臂串扰抑制电路、全桥整流电路、第一隔离变压器和第二隔离变压器；
信号接收电路通过第一隔离变压器与SiC MOSFET管的控制电路相连，将控制电路输出的控制信号传递给电平转换电路；电平转换电路将控制信号转换为推挽放大电路的输入电平V4g；推挽放大电路的输出端两臂均与SiC MOSFET管的栅极相连，并根据输入电平V4g控制SiC MOSFET管导通或截止；
全桥整流电路通过第二隔离变压器与外接电源相连，形成所述驱动电路的电源电路，并为所述驱动电路供电；
桥臂串扰抑制电路包括PNP型BJT管Q8和辅助电容Ca，Q8的基极与推挽放大电路的输入端相连，Q8的发射极与SiC MOSFET管的源级相连，Q8的集电极通过Ca与SiC MOSFET管的栅极相连；Ca＞＞CGS，CGS为SiC MOSFET管的栅源极电容。
2.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET管的驱动电路，其特征在于，所述全桥整流电路包括由桥式连接的二极管D1～D4构成的整流桥、滤波电容C0、稳压管Z1、Z2和限流电阻R；整流桥的输入端与第二隔离变压器的副边相连，C0跨接在整流桥的正、负输出端之间；Z1的阳极接整流桥负输出端，Z1的阴极与Z2的阳极相连，Z2的阴极接整流桥正输出端，Z1、Z2之间串联R；所述全桥整流电路设有三个输出端：整流桥的正输出端为全桥整流电路的第一输出端，为推挽放大电路提供参考电压V2；R与Z1的连接点为全桥整流电路的第二输出端，为SiCMOSFET管提供源级电压V1；整流桥的负输出端为全桥整流电路第三输出端，其输出的电压V0作为地线电压。
3.根据权利要求2所述的一种SiC MOSFET管的驱动电路，其特征在于，所述信号接收电路包括NPN型BJT管Q1、Q2、分压电阻R1～R6和防反流二极管D5、D6；Q1、Q2的发射极接地；Q1基极与D5的阳极相连，同时，Q1的基极通过R2与Q2的集电极相连，D5的阴极接有R1，R1的另一端接地；Q1的集电极通过R4与Q2的基极相连，同时Q1的集电极通过串联的R3、R6与Q2的集电极相连；Q2的基极与D6的阳极相连，D6的阴极通过R5接地；所述信号接收电路中，R1～R3和D5构成Q1的分压电路；R4～R6和D6构成Q2的分压电路；信号接收电路设有两个输入端和一个输出端：D5阴极与R1的连接点为信号接收电路的第一输入端A，D6阴极与R5的连接点为信号接收电路的第二输入端B，第一输入端A和第二输入端B分别与第一隔离变压器副边的正、负极相连；Q2的集电极为信号接收电路的输出端。
4.根据权利要求3所述的一种SiC MOSFET管的驱动电路，其特征在于，所述电平转换电路包括NPN型BJT管Q3、分压电阻R7～R9、防反流二极管D7及隔直电容C1～C3；其中，R7、R8串联，R8的另一端接地，R7的另一端与D7的阴极相连，D7的阳极与所述全桥整流电路的第二输出端相连，同时D7的阳极通过C3与所述全桥整流电路的第一输出端相连；C1一端与D7阴极相连，另一端接地；C2一端与D7阳极相连，另一端接地；Q3的基极与R7、R8的连接点相连；Q3的发射极作为电平转换电路的输入端与所述信号接收电路的输出端相连；Q3的集电极通过与R9与全桥整流电路的第一输出端相连，同时，Q3的集电极作为电平转换电路的输出端并与推挽放大电路的输入端相连。
5.根据权利要求4所述的一种SiC MOSFET管的驱动电路，其特征在于，所述推挽放大电路包括由NPN型BJT管Q4、Q6和PNP型BJT管Q5、Q7组成的两级达林顿结构；其中，Q4、Q5基极相连，Q6、Q7基极相连，Q4、Q6的集电极与全桥整流电路的第一输出端相连，Q5、Q7的发射极接地；Q4的发射极与Q5的集电极相连，同时Q4的发射极与Q6的基极相连；Q4、Q5基极的连接点作为推挽放大电路的输入端，Q6的发射极通过串联的电阻R10、R11与Q7的集电极相连，电阻R10和R11的连接点作为推挽放大电路的输出端并与SiC MOSFET管的栅极相连。
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