CN106026721A - 一种采用SiC功率管的ZCS全桥变换器的栅驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种采用SiC功率管的ZCS全桥变换器的栅驱动电路，包括PWM发生器、MOS驱动网络、谐振栅驱动隔离变压器和RCD移位电路，MOS驱动网络中的MOS管栅极控制信号由PWM发生器提供，MOS驱动网络的输出经过谐振栅驱动隔离变压器输出给RCD移位电路，其输出信号作为全桥变换器SiC功率管的栅驱动信号，驱动全桥变换器两个桥臂中的上下SiC功率开关管，RCD移位电路用于调整SiC功率开关管的栅驱动电平，实现对于栅驱动电路电压的移位，使得驱动电压适用于SiC功率管，并利用谐振栅驱动隔离变压器次级中的漏感与SiC功率开关管的栅源寄生电容产生谐振，回收利用该寄生电容上的电能量，降低损耗，提升效率。

Description

一种采用SiC功率管的ZCS全桥变换器的栅驱动电路

技术领域

本发明涉及ZCS全桥变换器中功率管的栅驱动电路，尤其涉及一种采用SiC功率管(SiC材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管)的全桥变换器的栅驱动电路。

背景技术

随着电力电子技术的迅猛发展，功率变换器应用对于高频化、高功率密度的要求越来越高。当开关频率提高到一定程度后，开关损耗显著增加、开关应力大、电磁辐射和噪声大等问题层出不穷。软开关技术的提出，有效地改善了高频变换器性能，软开关技术也就是功率器件以零电压(ZVS)开关方式或零电流开关(ZCS)方式换流。ZCS全桥变换器是一种典型的软开关变换器，主要特点是输出整流管自动实现ZVS和ZCS换流；采用固定频率控制和移相PWM控制技术；在实现ZCS的同时，变换器能保证较宽的负载调节范围。ZCS全桥变换器通常采用Si功率管作为桥臂中的开关管。

然而随着能源问题的日益突出以及人们对降低环境负荷要求的不断提高，常规的功率器件逐渐会无法满足要求。以SiC为典型代表的新型宽带功率半导体器件因其突出的性能优势而逐渐为人们重视，已然成为众多研究机构和公司的研究热点。在ZCS全桥变换器中引入SiC功率管充分满足了高频化，高功率密度的要求。然而与普通的Si功率管不同，SiC功率管的栅源间正反向耐压是不对称的，因此在相同电路拓扑下适用于Si功率管的栅驱动电路对于SiC功率管而言不再适用，换言之，设计一种结构简单，高效率，要具有高可靠性的SiC功率管栅驱动电路，是要解决的一大问题。

发明内容

本发明针对现有技术中全桥变换器SiC功率管栅驱动领域研究较少的问题，提供一种采用SiC功率管的ZCS全桥变换器的栅驱动电路，以降低ZCS全桥变换器的驱动损耗，进一步提高变换器的效率，同时增加系统的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种采用SiC功率管的ZCS全桥变换器的栅驱动电路，其特征在于：包括PWM发生器、MOS驱动网络、谐振栅驱动隔离变压器和RCD移位电路，MOS驱动网络中的MOS管栅极控制信号由PWM发生器提供，MOS驱动网络的输出经过谐振栅驱动隔离变压器输出给RCD移位电路，RCD移位电路的输出信号作为ZCS全桥变换器中SiC功率管的栅驱动信号，驱动ZCS全桥变换器两个桥臂中的高、低压侧SiC功率开关管，上述电路中，RCD移位电路用于调整SiC功率开关管的栅驱动电平，实现对于栅驱动电路电压的移位，使得驱动电压适用于SiC功率管，并利用谐振栅驱动隔离变压器次级中的漏感与SiC功率开关管的栅源寄生电容产生谐振，回收利用该寄生电容上的电能量，降低损耗，提升效率；其中：

MOS驱动网络包括开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄，开关管Q₁和Q₂的漏极均连接电源V_cc，开关管Q₃和Q₄的源极均接地，开关管Q₁的源极连接开关管Q₃的漏极，开关管Q₂的源极连接开关管Q₄的漏极，开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄的栅极分别连接PWM发生器的四个输出端；

谐振栅驱动隔离变压器包括初级线圈n₁及两个次级线圈n₂和n₃，初级线圈n₁的同名端连接开关管Q₁的源极和开关管Q₃的漏极，初级线圈n₁的异名端连接开关管Q₂的源极和开关管Q₄的漏极，次级线圈n₂和n₃中分别存在漏感L_r1及L_r2，次级线圈n₂的同名端连接漏感L_r1的一端，次级线圈n₃的异名端连接漏感L_r2的一端；

RCD移位电路包括两个相同的部分，分别连接于谐振栅驱动隔离变压器的两个次级线圈n₂和n₃的输出端，其中，连接于次级线圈n₂输出端的RCD移位电路包括电阻R_p1、电阻R_n1、电容C_p1、电容C_n1和二极管D₁，电阻R_p1与电容C_p1并联后的一端连接漏感L_r1的另一端并作为该RCD移位电路的输出端，通过栅驱动电阻R_g1连接ZCS全桥变换器两个桥臂中其中一个桥臂的高压侧SiC功率开关管Q₅的栅极，电阻R_p1与电容C_p1并联后的另一端连接二极管D₁的阴极，二极管D₁的阳极连接电阻R _n1与电容C _n1并联后的一端和SiC功率开关管Q₅的源极，电阻R _n1与电容C _n1并联后的另一端连接次级线圈n₂的异名端；连接于次级线圈n₃输出端的RCD移位电路包括电阻R_p2、电阻R_n2、电容C_p2、电容C_n2和二极管D₂，电阻R_p2与电容C_p2并联后的一端连接漏感L_r2的另一端并作为该RCD移位电路的输出端，通过栅驱动电阻R_g2连接ZCS全桥变换器中与SiC功率开关管Q₅同一桥臂的低压侧SiC功率开关管Q₆的栅极，电阻R_p2与电容C_p2并联后的另一端连接二极管D₂的阴极，二极管D₂的阳极连接电阻R _n2与电容C _n2并联后的一端和SiC功率开关管Q₆的源极并接地，电阻R _n2与电容C _n2并联后的另一端连接次级线圈n₃的同名端，SiC功率开关管Q₅的源极与SiC功率开关管Q₆的漏极连接；

设置与上述相同的PWM发生器、MOS驱动网络、谐振栅驱动隔离变压器和RCD移位电路，驱动ZCS全桥变换器中另一个桥臂中的高、低压侧SiC功率开关管。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

(1)栅驱动电路中加入了RCD移位电路，有效地将原驱动电压幅值上移，使得原本正负对称输出的栅驱动电压适配成为SiC功率管的栅驱动电压，同时仍具备负压关断功能，有效地防止SiC功率管的误开通，从而提高系统的可靠性。

(2)利用谐振栅驱动隔离变压器次级中的漏感与SiC功率开关管的栅源寄生电容产生谐振，可回收利用SiC功率开关管栅源寄生电容上的电能量，降低损耗，提升效率。

(3)本发明专门适应于ZCS全桥电路，ZCS全桥电路同一桥臂的上下两管之间有一个重叠的开关时间，本发明栅驱动电路产生的栅驱动信号可以充分实现这一功能。

(4)本发明可以同时提供两路互补的栅驱动信号，因此驱动整个ZCS全桥变换器只需两组该发明所涉及的栅驱动电路，成本低，稳定性高。

附图说明

图1是本发明的一种栅驱动电路；

图2是本发明适用的一种典型的ZCS全桥变换器电路；

图3是ZCS全桥电路中功率管所需的工作波形；

图4是本发明提出的栅驱动电路实际输出波形；

图5是本发明中控制信号以及关键电压电流的波形；

图6是传统的变压器耦合电压源栅驱动方案；

图7是本发明与传统的变压器耦合电压源栅驱动方案在不同开关频率的单桥臂驱动损耗对比图。

具体实施方式

如图1，整个栅驱动电路包括PWM发生器、MOS驱动网络1、谐振栅驱动隔离变压器2和RCD移位电路3，标号4为被驱动的SiC功率管ZCS全桥变换器的一个桥臂。PWM发生器产生控制信号，通过MOS驱动网络1传输至谐振栅驱动隔离变压器2，经由RCD移位电路3上移一个电位，从而驱动ZCS全桥变换器中一个桥臂的SiC功率管Q₅和Q₆，其中电容C_gs5和C_gs6分别为Q₅和Q₆的栅源间寄生电容。PWM发生器在整个系统中一般是由微控制器充当的，根据不同的应用产生相应波形，本发明中PWM发生器产生控制信号，加在MOS驱动网络1中各MOS管栅极上，通过改变PWM输出的占空比与相位控制MOS驱动网络1，从而产生满足条件的栅驱动信号。RCD移位电路3的工作原理为：由于电容C_p1，C_p2，Cn₁，Cn₂相对SiC功率管的栅源寄生电容比较大，C_p1，C_p2，Cn₁，Cn₂等电容上的电压不会对SiC功率管栅源寄生电容的充放电产生明显的影响，同时用于分压的电阻R_p1，R_p2，Rn₁，Rn₂比较大，电容C_p1，C_p2，Cn₁，Cn₂不会由于电阻形成的自放电回路而产生明显的电压变化，因此在整个开关驱动过程中，电容上C_p1，C_p2，Cn₁，Cn₂的电压均保持不变。因此稳态时，在二极管D₁，D₂正向导通时，SiC功率管栅源寄生电容上的电压比不加入RCD移位电路时增大了R_n/(R_p+R_n)倍；而D₁，D₂反向截断时，SiC功率管栅源寄生电容上的电压同样比加入RCD移位电路时增大了R_n/(R_p+R_n)倍。栅驱动电压整体上移了R_n/(R_p+R_n)倍，通过改变R_p和R_n的大小，可以使驱动电压与SiC功率管的驱动电压匹配。需要说明的是，图中谐振栅驱动隔离变压器2的初级和次级都存在漏感，本发明是利用次级的漏感L_r1和L_r2与分别与Q₅和Q₆的栅源间寄生电容C_gs5和C_gs6产生谐振。图中漏感L_r1和L_r2分别示出在次级线圈n₂的同名端和n₃的异名端串联连接只是一种示例，实际上漏感L_r1和L_r2是寄生参数并不是实体电感，所以漏感L_r1和L_r2也可以示出在次级线圈n₂的异名端和n₃的同名端串联连接。

如图2，这是一种现有的ZCS全桥变换器，本发明提出的栅驱动电路主要是用于驱动使用SiC功率管的这种ZCS全桥变换器，包括与图1中标号4对应的一个桥臂SiC开关管Q₅和Q₆和图1中未示出的另一个桥臂的SiC开关管Q₇和Q₈，电容C_gs7和C_gs8分别为Q₇和Q₈的栅源间寄生电容(未示出)。将图1中两个RCD移位电路的输出通过栅驱动电阻R_g1和R_g2分别驱动Q₅和Q₆的栅极，再设置一个相同的图1电路，同样的，其中两个RCD移位电路的输出通过栅驱动电阻R_g3和R_g4分别驱动Q₇和Q₈的栅极。这种ZCS全桥变换器外特性与升压电路一样，L_in是升压电感，L_r是谐振电感，C_r是谐振电容，MC2是变压器，D₃～D₆是输出整流管，C₀输出电容，Vin是输入电压。变换器常采用移相控制，Q₇和Q₈的驱动信号分别超前于Q₅和Q₆。同一桥臂的上下两管之间存在有一个重叠的开关时间，用来创造零电流开关条件。输出整流管D₃～D₆自动实现ZVS和ZCS换流，能够采用固定频率控制和移相PWM控制技术。本发明提供的栅驱动电路输出波形之间有存在交叠区域，与ZCS全桥变换器同一桥臂上下两管间存在重叠的开关时间一致，因此本发明提供的栅驱动电路适合用于驱动ZCS全桥变换器。

如图3，这是图2所述的ZCS全桥变换器所需的栅驱动电压波形，可以看到上下两管的栅驱动电压之间存在着交叠区和互补区，交叠区是指上下两管同时导通，环路电流增加，由于电感L_in的存在，压降主要降在电感上，保护功率管不被烧毁，这段交叠时间，用来创造零电流开关条件。互补区是指上下两管交替导通阶段。

如图4，这是本发明提供的栅驱动电路的输出波形，与图3中所述的波形一致，实际应用中可根据所需的栅驱动电压波形来调节PWM发生器产生的控制信号以达到相应的驱动要求。

如图5，本发明中控制信号以及关键电压电流的波形。第一行、第二行为Q₁Q₂Q₃Q₄的控制波形，Q₁Q₃交替导通，Q₂Q₄交替导通。当Q₃Q₄同时导通阶段为LC谐振阶段(图5中谐振周期)，此时能量通过谐振传递，电源没有与栅驱动电路形成回路，因此也没有给栅驱动电路提供能量，驱动损耗大大降低了。LC谐振有效地回收栅电容中存储的能量，降低损耗。第三行为AB两点间的电压。第四行、第五行为谐振栅驱动变压器漏感L_r1和L_r2中的电流波形。第六行为SiC功率管Q₅Q₆栅源间电压，其中阴影区域为交叠区，以满足ZCS全桥变换器栅驱动电压所需的波形。

如图6，这是传统的变压器耦合电压源栅驱动方案，与本发明相比，区别在于使用直流电源Vcc而非LC谐振的方式来进行SiC功率管开关状态转换，而谐振栅驱动变压器副边侧又不可避免的存在漏感，而漏感与SiC功率管栅源电容之间会引起震荡，这种震荡是传统的变压器耦合电压源栅驱动方案所不需要的不稳定因素，因此必须加入外阻尼电阻R_ext1和R_ext2抑制震荡，加入外阻尼电阻带来的副作用便是减慢驱动速度，提升开关损耗。在每一个开关周期，存储在SiC功率管栅电容上的能量大部分会耗散在外阻尼电阻上。本发明则利用谐振栅驱动变压器次级的漏感与SiC功率管栅源电容之间的谐振有效回收能量，不需要加入外阻尼电阻，降低了损耗，提升了效率。

如图7，这是本发明与传统的变压器耦合电压源栅驱动方案在不同开关频率的单桥臂驱动损耗对比图。从图7中可以看到，随着开关频率的提高，本发明与传统的变压器耦合电压源驱动方案之间的单桥臂驱动损耗之差越来越大。在高频应用场景下，本发明提供的方案优越性越发明显。

本发明工作过程如下：

如图4，在t₀-t₁阶段，Q₂和Q₃开启，在这一阶段中AB间电压钳位为-V_cc，由于谐振栅驱动变压器，SiC功率管Q₅栅源间电压为-V_cc(不考虑RCD移位电路的影响，以下同)，Q₅管关断；SiC功率管Q₆栅源间电压为V_cc，Q₆管开启。

在t₁-t₂阶段，Q₂和Q₄导通，AB间电压为0。原边侧线圈中电流方向为从A到B，副边侧L_r1与Q₅管栅电容之间形成LC谐振回路，不断给Q₅管栅电容充电，Q₅栅电容电压逐渐增大；L_r2与Q₆管栅电容之间形成LC谐振回路，不断给Q₆管栅电容放电，Q₆栅电容电压逐渐减小。在t₂时刻，Q₅管栅电容电压充电至V_cc，Q₅管由关断到开启，Q₆管栅电容电压放电至-V_cc，Q₆管由开启到关断。在此阶段中，能量通过谐振传递，电源没有与栅驱动电路形成回路，因此也没有给栅驱动电路提供能量，驱动损耗大大降低了。

在t₂-t₃阶段，Q₁和Q₄导通，AB见电压钳位为V_cc，SiC功率管Q₅栅源间电压为V_cc，Q₅管开启；SiC功率管Q₆栅源间电压为-V_cc，Q₆管关断。与t₀-t₁阶段相对应。

在t₃-t₄阶段，Q₂和Q₄导通，AB间电压为0。原边侧线圈中电流方向为从B到A，副边侧L_r1与Q₅管栅电容之间形成LC谐振回路，不断给Q₅管栅电容放电，Q₅栅电容电压逐渐减小；L_r2与Q₆管栅电容之间形成LC谐振回路，不断给Q₆管栅电容充电，Q₆栅电容电压逐渐增加。在t₄时刻，Q₅管栅电容电压放电至-V_cc，Q₅管由开启到关断，Q₆管栅电容电压充电至V_cc，Q₆管由关断到开启。至此，又回到了t₀前的状态，形成一个完整的周期。

上述过程所得到的波形，经过RCD移位电路后，适配成为SiC功率管的驱动波形。

Claims (1)

1.一种采用SiC功率管的ZCS全桥变换器的栅驱动电路，其特征在于：包括PWM发生器、MOS驱动网络、谐振栅驱动隔离变压器和RCD移位电路，MOS驱动网络中的MOS管栅极控制信号由PWM发生器提供，MOS驱动网络的输出经过谐振栅驱动隔离变压器输出给RCD移位电路，RCD移位电路的输出信号作为ZCS全桥变换器中SiC功率管的栅驱动信号，驱动ZCS全桥变换器两个桥臂中的高、低压侧SiC功率开关管，上述电路中，RCD移位电路用于调整SiC功率开关管的栅驱动电平，实现对于栅驱动电路电压的移位，使得驱动电压适用于SiC功率管，并利用谐振栅驱动隔离变压器次级中的漏感与SiC功率开关管的栅源寄生电容产生谐振，回收利用该寄生电容上的电能量，降低损耗，提升效率；其中：

MOS驱动网络包括开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄，开关管Q₁和Q₂的漏极均连接电源V_cc，开关管Q₃和Q₄的源极均接地，开关管Q₁的源极连接开关管Q₃的漏极，开关管Q₂的源极连接开关管Q₄的漏极，开关管Q₁、Q₂、Q₃和Q₄的栅极分别连接PWM发生器的四个输出端；

谐振栅驱动隔离变压器包括初级线圈n₁及两个次级线圈n₂和n₃，初级线圈n₁的同名端连接开关管Q₁的源极和开关管Q₃的漏极，初级线圈n₁的异名端连接开关管Q₂的源极和开关管Q₄的漏极，次级线圈n₂和n₃中分别存在漏感L_r1及L_r2，次级线圈n₂的同名端连接漏感L_r1的一端，次级线圈n₃的异名端连接漏感L_r2的一端；

RCD移位电路包括两个相同的部分，分别连接于谐振栅驱动隔离变压器的两个次级线圈n₂和n₃的输出端，其中，连接于次级线圈n₂输出端的RCD移位电路包括电阻R_p1、电阻R_n1、电容C_p1、电容C_n1和二极管D₁，电阻R_p1与电容C_p1并联后的一端连接漏感L_r1的另一端并作为该RCD移位电路的输出端，通过栅驱动电阻R_g1连接ZCS全桥变换器两个桥臂中其中一个桥臂的高压侧SiC功率开关管Q₅的栅极，电阻R_p1与电容C_p1并联后的另一端连接二极管D₁的阴极，二极管D₁的阳极连接电阻R_n1与电容C_n1并联后的一端和SiC功率开关管Q₅的源极，电阻R_n1与电容C_n1并联后的另一端连接次级线圈n₂的异名端；连接于次级线圈n₃输出端的RCD移位电路包括电阻R_p2、电阻R_n2、电容C_p2、电容C_n2和二极管D₂，电阻R_p2与电容C_p2并联后的一端连接漏感L_r2的另一端并作为该RCD移位电路的输出端，通过栅驱动电阻R_g2连接ZCS全桥变换器中与SiC功率开关管Q₅同一桥臂的低压侧SiC功率开关管Q₆的栅极，电阻R_p2与电容C_p2并联后的另一端连接二极管D₂的阴极，二极管D₂的阳极连接电阻R_n2与电容C_n2并联后的一端和SiC功率开关管Q₆的源极并接地，电阻R_n2与电容C_n2并联后的另一端连接次级线圈n₃的同名端，SiC功率开关管Q₅的源极与SiC功率开关管Q₆的漏极连接；

设置与上述相同的PWM发生器、MOS驱动网络、谐振栅驱动隔离变压器和RCD移位电路，驱动ZCS全桥变换器中另一个桥臂中的高、低压侧SiC功率开关管。