CN106100296B - 驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法 - Google Patents

驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法，电路包括连接在上桥臂的第一供电电源与上管的栅极间的第一栅极电压图腾柱结构电路、连接在上桥臂的第二供电电源与上管的源极间的第一源极电压图腾柱结构电路、与第一栅极电压图腾柱结构电路连接的第一低阻抗桥臂串扰抑制回路、连接在下桥臂的第三供电电源与下管的栅极间的第二栅极电压图腾柱结构电路、连接在下桥臂的第四供电电源与下管的源极间的第二源极电压图腾柱结构电路，以及与第二栅极电压图腾柱结构电路连接的第二低阻抗桥臂串扰抑制回路。此种驱动电路可充分发挥SiC MOSFET高速开关的性能优势，在实现桥臂串扰抑制功能的同时提高开通及关断瞬间的驱动电压，实现高速开关。

Description

驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种适用于SiC MOSFET的驱动电路，特别涉及一种实现驱动电平优化组合及桥臂串扰抑制功能的驱动电路及其控制方法。
背景技术
碳化硅(silicon carbide，SiC)功率器件比传统硅功率器件具有更低的导通电阻、更快的开关速度和更高的结温等器件优势，SiC基变换器可望应用于多电飞机、电动汽车等要求苛刻的应用场合中。桥臂电路是SiC基变换器中常用的电路结构，含有两个相互串联、互补导通的开关器件。SiC功率器件的快速开关行为会产生很大的du/dt、di/dt，使得同一桥臂的上下管在开关过程中产生交叉影响，这种现象通常称为桥臂串扰。在某个开关管开通或关断时会在同一桥臂的另一个功率管栅源极引起串扰电压，而SiC MOSFET器件的开启阈值电压比相同定额Si功率器件小，极有可能使本应关断的功率管误导通，导致桥臂直通危险；此外，SiC MOSFET功率器件所能承受的负压比传统Si功率器件小得多，负向串扰可能会超过SiC MOSFET功率器件的承受值，损坏功率器件或使器件性能加速退化。此外，在结温较高时SiC MOSFET功率器件的开启阈值电压降为常温时的2/3左右，栅极寄生内阻增大，恶化了宽温度范围下SiC桥臂电路的串扰现象。SiC功率器件在宽温度变化范围下的特性温漂及高速开关行为引起的桥臂串扰问题威胁着SiC基变换器的可靠运行，该问题亟待解决。
目前文献中针对桥式SiC基变换器中的桥臂串扰问题，提出了一些桥臂串扰抑制方法，最具代表性的方式基于有源箝位控制，即在功率管栅源极之间增加辅助Si MOSFET和辅助电容支路方式抑制桥臂串扰现象，在桥臂上管开通及关断瞬间，下桥臂辅助Si MOSFET导通，为下管串扰电流提供低阻抗回路；而在下管开通及关断瞬间关断下桥臂辅助SiMOSFET，使下桥臂SiC MOSFET快速开关。但是，这种有源箝位桥臂串扰抑制电路增加了辅助电路复杂度，且并联电容在高速开关时造成大量驱动损耗。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法，其可充分发挥SiC MOSFET高速开关的性能优势，在实现桥臂串扰抑制功能的同时提高开通及关断瞬间的驱动电压，实现高速开关。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路，连接在SiC MOSFET桥臂电路中，所述SiC MOSFET桥臂电路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂包括相互连接的第一供电电源和上管，下桥臂包括相互连接的第二供电电源和下管；所述驱动电路包括连接在上桥臂的第一供电电源与上管之间的第一驱动电路和连接在下桥臂的第二供电电源与下管之间的第二驱动电路，第一、第二驱动电路结构相同，均包括栅极电压图腾柱结构电路、源极电压图腾柱结构电路和低阻抗桥臂串扰抑制回路，其中，栅极电压图腾柱结构电路的输入端连接第一/第二供电电源，输出端连接上管/下管的栅极，源极电压图腾柱结构电路的输入端连接第一/第二供电电源，输出端连接上管/下管的源极，而低阻抗桥臂串扰抑制回路与栅极电压图腾柱结构电路连接。
上述栅极电压图腾柱结构电路包括第一开关管、第二开关管、第一反相器和外接电阻，其中，第一开关管与第二开关管顺序连接，第一开关管的栅极连接第一/第二供电电源，第二开关管的栅极经由第一反相器连接第一/第二供电电源，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极，第一开关管的漏极连接高压电源，而第二开关管的源极接地；外接电阻的一端连接在第一开关管、第二开关管之间，另一端连接上管/下管的栅极。
所述低阻抗桥臂串扰抑制回路采用二极管，反向并联在栅极电压图腾柱结构电路中外接电阻的两端。
上述第一、第二栅极电压图腾柱结构电路还包括同相器，同相器连接在第一开关管的栅极与第一/第三供电电源之间。
上述源极电压图腾柱结构电路的电路图包括第三开关管、第四开关管和第二反相器，其中，第三开关管与第四开关管顺序连接，第三开关管的栅极连接第一/第二供电电源，第四开关管的栅极经由第二反相器连接第一供电电源，第三开关管的源极连接第四开关管的漏极，第三开关管的漏极连接高压电源，而第四开关管的源极接地；第三开关管与第四开关管的连接点作为输出端，连接上管的源极。
一种如前所述驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路的控制方法，当上管开通瞬间，第一供电电源为高电平信号，第二供电电源为低电平信号，上管驱动电压为第一高压电源，采用极限驱动电压实现快速开通；当上管处于导通状态，第一、第二供电电源均为高电平，上管驱动电压降为第一、第二高压电源的电源差；当上管处于关断瞬间及截止状态，第一供电电源为低电平，第二供电电源为高电平，驱动电压为第二高压电源的负值；
当下管开通瞬间，第三供电电源为高电平信号，第四供电电源为低电平信号，下管驱动电压为第三高压电源，采用极限驱动电压实现快速开通；当下管处于导通状态，第三、第四供电电源均为高电平，下管驱动电压降为第三、第四高压电源的电源差；当下管处于关断瞬间及截止状态，第三供电电源为低电平，第三供电电源为高电平，驱动电压为第四高压电源的负值。
采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：
(1)开通及关断瞬间采用更极限的栅极驱动电压，减小驱动电阻，实现超快速开关；
(2)采用并联二极管的方式提供低阻抗回路，抑制桥臂串扰现象；
(3)本发明能够降低开关损耗及驱动损耗。
附图说明
图1是本发明中栅极电压图腾柱结构电路的电路图；
图2是本发明中源极电压图腾柱结构电路的电路图；
图3是本发明的电路图；
图4是本发明中各开关管的波形时序图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图3所示，本发明提供一种驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路，连接在SiC MOSFET桥臂电路中，所述SiC MOSFET桥臂电路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂包括相互连接的第一供电电源和上管，下桥臂包括相互连接的第二供电电源和下管；所述驱动电路包括连接在上桥臂的第一供电电源与上管之间的第一驱动电路和连接在下桥臂的第二供电电源与下管之间的第二驱动电路，第一、第二驱动电路结构相同，均包括栅极电压图腾柱结构电路、源极电压图腾柱结构电路和低阻抗桥臂串扰抑制回路，其中，栅极电压图腾柱结构电路的输入端连接第一/第二供电电源，输出端连接上管/下管的栅极，源极电压图腾柱结构电路的输入端连接第一/第二供电电源，输出端连接上管/下管的源极，而低阻抗桥臂串扰抑制回路与栅极电压图腾柱结构电路连接，下面分别介绍。
如图1所示，以上桥臂为例，是栅极电压图腾柱结构电路的电路图，所述栅极电压图腾柱结构电路包括开关管S1_H、S2_H、同相器、反相器UH和外接电阻RH，其中，开关管S1_H、S2_H顺序连接，S1_H的栅极经由同相器连接第一供电电源SH，S2_H的栅极经由反相器UH连接第一供电电源SH，S1_H的源极连接S2_H的漏极，S1_H的漏极连接第一高压电源V1_H，而S2_H的源极接地；外接电阻RH的一端连接在开关管S1_H、S2_H之间，另一端连接上管的栅极。
如图2所示，同样以上桥臂为例，是源极电压图腾柱结构电路的电路图，所述源极电压图腾柱结构电路包括开关管Sa1_H、Sa2_H和反相器Ua_H，其中，开关管Sa1_H、Sa2_H顺序连接，Sa1_H的栅极连接第二供电电源Sa_H，Sa2_H的栅极经由反相器Ua_H连接第二供电电源Sa_H，Sa1_H的源极连接Sa2_H的漏极，Sa1_H的漏极连接第二高压电源V2_H，而Sa2_H的源极接地；开关管Sa1_H、Sa2_H的连接点作为输出端，连接上管的源极。
而在下桥臂中，下标均以L表示，包含有第三供电电源SL、第四供电电源Sa_L、第三高压电源V1_L和第四高压电源V2_L。
所述低阻抗桥臂串扰抑制回路可采用二极管DH/DL，配合图3所示，反向并联在栅极电压图腾柱结构电路中外接电阻RH/RL的两端。
其中，由开关管Sa1_H、S2_H、二极管Doff_H和栅极寄生电阻Rg_H构成桥臂正向串扰电压抑制支路，由开关管Sa2_H、二极管Da_H和栅极寄生电阻Rg_H构成桥臂负向串扰电压抑制支路。
针对以上驱动电路，本发明还提供一种控制方法，包括如下内容：当下管开通瞬间，SL为高电平信号，Sa_L为低电平信号，下管驱动电压为V1_L，采用极限驱动电压实现快速开通。当下管处于导通状态，SL、Sa_L均为高电平，下管驱动电压降为V1_L-V2_L，防止驱动电压振荡超过SiC MOSFET的正向驱动电压峰值。当下管处于关断瞬间及截止状态，SL为低电平，Sa_L为高电平，驱动电压为-V2_L，防止误导通。
当上管开通瞬间，SH为高电平信号，Sa_H为低电平信号，上管驱动电压为V1_H，采用极限驱动电压实现快速开通。当上管处于导通状态，SH、Sa_H均为高电平，上管驱动电压降为V1_H-V2_H，防止驱动电压振荡超过SiC MOSFET的正向驱动电压峰值。当上管处于关断瞬间及截止状态，SH为低电平，Sa_H为高电平，驱动电压为-V2_H，防止误导通。
本发明的工作原理是：
下管处于开通瞬态，栅极到源极的电压为高压电源V1_L使下管快速开通，并接入RL增加栅极电路阻尼系数，防止栅极驱动电压振荡。在下管开通瞬态，在上管的结电容Cgd_H与Cgs_H两端存在串扰电流，通过Rg_H与二极管Doff_H形成的低阻抗回路，减缓结电容Cgs_H充电并减少上管正向串扰电压ugs_H。
下管处于关断瞬态，源极到栅极的电压为高压源V2_L实现快速关断。在下管关断瞬态，在上管的结电容Cgd_H与Cgs_H两端存在串扰电流，通过Rg(in)与续流二极管Da_H形成的低阻抗回路，减缓结电容Cgs_H充电并减少上管负向串扰电压vgs_H。
为进一步增加SiC MOSFET的开关速度，通常采用不对称栅极外部电阻的驱动方式，在栅极外部电阻Rg(on)两端并联二极管，当SiC MOSFET关断时将Rg(on)短路。
本发明提出了适用于SiC MOSFET的驱动电平优化组合的桥臂串扰抑制电路，在开通或关断瞬间采用SiC MOSFET所能承受的极限栅极驱动电压，在SiC MOSFET导通与关断时采用不对称栅极驱动电阻，以增加开关速度，降低开关损耗；采用防反流二极管形成具有桥臂串扰抑制功能的低阻抗回路，降低驱动损耗。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路，连接在SiC MOSFET桥臂电路中，所述SiC MOSFET桥臂电路包括上桥臂和下桥臂；其特征在于：上桥臂包括第一供电电源、第二供电电源、第一高压电源、第二高压电源和上管，下桥臂包括第三供电电源、第四供电电源、第三高压电源、第四高压电源和下管；所述驱动电路还包括连接在上桥臂的第一供电电源与上管的栅极之间的第一栅极电压图腾柱结构电路、连接在上桥臂的第二供电电源与上管的源极之间的第一源极电压图腾柱结构电路、与第一栅极电压图腾柱结构电路连接的第一低阻抗桥臂串扰抑制回路、连接在下桥臂的第三供电电源与下管的栅极之间的第二栅极电压图腾柱结构电路、连接在下桥臂的第四供电电源与下管的源极之间的第二源极电压图腾柱结构电路，以及与第二栅极电压图腾柱结构电路连接的第二低阻抗桥臂串扰抑制回路，第一、第三供电电源分别为第一、第二栅极电压图腾柱结构电路提供高低电平信号，第二、第四供电电源分别为第一、第二源极电压图腾柱结构电路提供高低电平信号；第一、第三高压电源分别为第一、第二栅极电压图腾柱结构电路供电，第二、第四高压电源分别为第一、第二源极电压图腾柱结构电路供电。
2.如权利要求1所述的驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路，其特征在于：所述第一、第二栅极电压图腾柱结构电路的结构相同，均包括第一开关管、第二开关管、第一反相器和外接电阻，其中，第一开关管与第二开关管顺序连接，第一开关管的栅极连接第一/第三供电电源，第二开关管的栅极经由第一反相器连接第一/第三供电电源，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极，第一开关管的漏极连接第一/第三高压电源，而第二开关管的源极接地；外接电阻的一端连接在第一开关管、第二开关管之间，另一端连接上管/下管的栅极。
3.如权利要求2所述的驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路，其特征在于：所述第一、第二低阻抗桥臂串扰抑制回路采用二极管，分别反向并联在第一、第二栅极电压图腾柱结构电路中外接电阻的两端。
4.如权利要求2所述的驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路，其特征在于：所述第一、第二栅极电压图腾柱结构电路还包括同相器，同相器连接在第一开关管的栅极与第一/第三供电电源之间。
5.如权利要求1所述的驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路，其特征在于：所述第一、第二源极电压图腾柱结构电路的结构相同，均包括第三开关管、第四开关管和第二反相器，其中，第三开关管与第四开关管顺序连接，第三开关管的栅极连接第二/第四供电电源，第四开关管的栅极经由第二反相器连接第二/第四供电电源，第三开关管的源极连接第四开关管的漏极，第三开关管的漏极连接第二/第四高压电源，而第四开关管的源极接地；第三开关管与第四开关管的连接点作为输出端，连接上管/下管的源极。
6.一种如权利要求1所述的驱动电平组合优化的桥臂串扰抑制驱动电路的控制方法，其特征在于：当上管开通瞬间，第一供电电源提供高电平信号，第二供电电源提供低电平信号，上管驱动电压为第一高压电源，采用极限驱动电压实现快速开通；当上管处于导通状态，第一、第二供电电源均为高电平，上管驱动电压降为第一、第二高压电源的电源差；当上管处于关断瞬间及截止状态，第一供电电源提供低电平，第二供电电源提供高电平，驱动电压为第二高压电源的负值；
当下管开通瞬间，第三供电电源提供高电平信号，第四供电电源提供低电平信号，下管驱动电压为第三高压电源，采用极限驱动电压实现快速开通；当下管处于导通状态，第三、第四供电电源均提供高电平，下管驱动电压降为第三、第四高压电源的电源差；当下管处于关断瞬间及截止状态，第三供电电源提供低电平，第四供电电源提供高电平，驱动电压为第四高压电源的负值。
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