CN106936297A - 一种自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路 - Google Patents

一种自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，该驱动电路包括用于提供一主脉冲信号和至少一个开关控制脉冲信号的脉冲信号发生器，用于接收主脉冲信号，并对主脉冲信号进行放大处理后发送至SiC MOSFET以驱动SiC MOSFET动作的放大电路，以及用于接收开关控制脉冲信号，并根据开关控制脉冲信号调节SiC MOSFET的栅极的驱动电阻的输出调节电路。该发明通过利用经过隔离后的开关控制脉冲信号调节各晶体管调节单元的各晶体管的开通时间，使不同晶体管调节单元的晶体管的导通支路的电阻切换，实现开关过程的不同阶段SiC MOSFET的栅极电阻阻值可调节的目的。

Description

一种自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路
技术领域
本发明涉及一种IGBT/MOSFET驱动电路，尤其涉及一种自适应调节驱动电阻的SiCMOSFET驱动电路。
背景技术
SiC MOSFET因耐压高、导通电阻小、开关速度快、散热性好等特点，推动着电力电子变换器向高频化、高功率密度和小型化的方向发展。然而，开关速度越快，开通过冲电流和关断过冲电压越大，寄生电感和器件内部结电容振荡越严重，从而限制开关频率的提升，甚至损坏器件。
目前，降低开关过冲电流电压的主要方法是降低开关速度，一种方法是增大栅极电阻，这种方法的实现方法简单，抑制效果明显，但会造成开关延迟时间严重延长以及开关速度严重降低，开关损耗严重增大。另一种实现方法是在开关器件上或者主功率回路中增加缓冲电路。常用的缓冲电路是RCD缓冲电路，这种缓冲对关断过冲电压的抑制效果明显，但在器件开通时存储在外加电容中的能量会通过器件沟道释放，增加开通过冲电流，增加开通损耗。最后一种方法是将主功率回路的寄生电感与R-L阻尼电路中的电感进行耦合，减小回路中寄生电感的影响，但耦合寄生电感的方法复杂，不易实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，以解决现有SiC MOSFET驱动电路在降低开关过冲电流电压时导致的开关速度低、开关损耗严重的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，包括：
脉冲信号发生器，用于提供一主脉冲信号和至少一个开关控制脉冲信号；
放大电路，用于接收主脉冲信号，并对主脉冲信号进行放大处理后发送至SiCMOSFET以驱动SiC MOSFET动作；
输出调节电路，用于接收开关控制脉冲信号，并根据开关控制脉冲信号调节SiCMOSFET的栅极的驱动电阻。
进一步地，输出调节电路包括连接在放大电路的输出端和SiC MOSFET的栅极之间的输出模块,以及分别与脉冲信号发生器的输出端、放大电路的输出端和SiC MOSFET的栅极连接的调节模块。
进一步地，输出模块包括第四电阻R4；第四电阻R4的一端与放大电路的输出端连接，另一端与SiC MOSFET的栅极和NMOS管的漏极连接。
进一步地，调节模块包括至少一个晶体管调节单元；晶体管调节单元包括一NMOS管和连接在该NMOS管的源极的电阻；其中，各晶体管调节单元的电阻的另一端与放大电路的输出端连接；各晶体管调节单元的NMOS管的漏极分别与输出模块的输出端和SiC MOSFET的栅极连接，各晶体管调节单元的NMOS管的栅极与脉冲信号发生器连接以分别接收一个开关控制脉冲信号。
进一步地，调节模块包四个晶体管调节单元,晶体管调节单元包括一NMOS管和连接在该NMOS管的源极的电阻；其中，各晶体管调节单元的电阻的另一端与放大电路的输出端连接；各晶体管调节单元的NMOS管的漏极分别与输出模块的输出端和SiC MOSFET的栅极连接，各晶体管调节单元的NMOS管的栅极与脉冲信号发生器连接以分别接收一个开关控制脉冲信号。
具体地，四个晶体管调节单元包括第二NMOS管Q2和连接在其源极的第五电阻R5组成的第一晶体管调节单元、由第三NMOS管Q3和连接在其源极的第七电阻R7组成的第二NMOS管调节单元、由第四NMOS管Q4和连接在其源极的第十电阻R10组成的第三NMOS管调节单元以及由第五NMOS管Q5和连接在其源极的第十二电阻R12组成的第四NMOS管调节单元。
第五电阻R5、第七电阻R7、第十电阻R10和第十二电阻R12均与第四电阻R4的一端连接；第二NMOS管Q2、第三NMOS管Q3、第四NMOS管Q4和第五NMOS管Q5的漏极均与第四电阻R4的另一端以及SiC MOSFET的栅极连接。
进一步地，第二NMOS管Q2的栅极通过第一保护电阻Rg1与脉冲信号发生器连接，第三NMOS管Q3的栅极通过第二保护电阻Rg2与脉冲信号发生器连接，第四NMOS管Q4的栅极通过第三保护电阻Rg3与脉冲信号发生器连接，第五NMOS管Q5的栅极通过第四保护电阻Rg4与脉冲信号发生器连接。
进一步地，该驱动电路还包括与设置在脉冲信号发生器与放大电路之间的第一隔离电路。第一隔离电路包括第一光电隔离器OP1；第一光电隔离器OP1的输入端的一端通过第八电阻R8与脉冲信号发生器连接，另一端通过第六电阻R6接地；第一光电隔离器OP1的输入端的两端之间通过第五耦合电容C5连接；第一光电隔离器OP1的输出端与放大电路连接，且同时通过第九电阻R9接地。
进一步地，该驱动电路还包括设置在脉冲信号发生器与各晶体管调节单元的晶体管的栅极之间的第二隔离电路；第二隔离电路包括第二光电隔离器OP2和第三光电隔离器OP3；第二光电隔离器OP2的第一输入端通过第十一电阻R11与脉冲信号发生器连接，第二输入端通过第十三电阻R13与脉冲信号发生器连接，第一输出端与第一保护电阻Rg1连接，第二输出端与第二保护电阻Rg2连接；第三光电隔离器OP3的第一输入端通过第十五电阻R15与脉冲信号发生器连接，第二输入端通过第十六电阻R16与脉冲信号发生器连接，第一输出端与第三保护电阻Rg3连接，第二输出端与第四保护电阻Rg4连接。
进一步地，该驱动电路还包括与输出调节电路并联连接的快速开关电路，即该快速开关电路并联在第四电阻R4的两端，包括串联连接的续流二极管D1和第三电阻R3，且续流二极管D1的正极性端第三电阻R3的一端连接，续流二极管D1的负极性端连接至放大电路的输出端。
进一步地，该驱动电路还包括为其供电的供电单元。
放大电路包括驱动芯片U1，连接在驱动芯片U1的供电电源端和接地端之间的第六耦合电容C6，以及连接在驱动芯片U1的输出端和接地端之间的第七耦合电容C7；驱动芯片U1的输入端与第一光电隔离器OP1的输出端连接，驱动芯片U1的输出端与输出调节电路连接。
供电电路包括第一供电单元和第二供电单元；第一供电单元包括第一DC-DC转换器X1、第二DC-DC转换器X2、齐纳二极管D2和第一晶体管Q1；第一DC-DC转换器X1的正输出端分别与齐纳二极管D2的P极和第一晶体管Q1的集电极连接，第一DC-DC转换器X1的负输出端与第二DC-DC转换器X2的正输出端之间通过第二耦合电容C2连接，第二DC-DC转换器X2的负输出端接地；第一DC-DC转换器X1的公共端与正输出端之间连接有第一电容C1；齐纳二极管D2与第一DC-DC转换器X1的正输出端之间连接有第一电阻R1；第一晶体管Q1的基极通过第二电阻R2连接至第一电阻R1和齐纳二极管D2之间的节点，第一晶体管Q1的发射极通过第三电容C3接地，第一晶体管Q1的集电极与第一隔离电路的供电端连接。
第二供电单元包括第三DC-DC转换器P2，第三DC-DC转换器P2的正输出端与第二隔离电路的供电端连接。
第一DC-DC转换器X1、第二DC-DC转换器X2的和第三DC-DC转换器P2的输入端均匀外接直流电源连接。
本发明的有益效果为：通过利用经过隔离后的开关控制脉冲信号调节各晶体管调节单元的各晶体管的开通时间，使不同晶体管调节单元的晶体管的导通支路的电阻切换，实现在SiC MOSFET开关过程的不同阶段，SiC MOSFET的栅极电阻阻值可调节的目的，且该驱动电路既能保证开关速度，又能降低开关损耗并抑制开关过程中的过冲电压电流。此外，该栅极电阻的调节方式与其它方法相比较为简单，容易实现，成本较低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例的电路原理框图；
图2为本发明一个实施例的第一供电单元、第一隔离电路、放大电路和输出调节电路的电路原理图；
图3为本发明一个实施例的第二隔离电路的电路原理图；
图4为本发明一个实施例的第一供电单元的原理图；
图5为本发明一个实施例的排针的结构图。
具体实施方式
如图1所示的自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，包括脉冲信号发生器，通过排针(如图5所示)与脉冲信号发生器的输出端连接的第一隔离电路和第二隔离电路，与第一隔离电路的输出端连接的放大电路，分别与放大电路和第二隔离电路的输出端连接的输出调节电路，以及用于为第一隔离电路、第二隔离电路和放大电路供电的供电电路。
下面分别对各个组件进行详细描述：
该脉冲信号发生器用于提供一主脉冲信号和至少一个开关控制脉冲信号，主脉冲信号经过放大处理后为SiC MOSFET提供驱动信号；开关控制脉冲信号用于控制输出调节电路中各晶体管调节单元的开通时间，进一步控制SiC MOSFET的栅极的电阻阻值。其中，脉冲信号的产生可通过CPLD、FPGA或单片机等其他处理器实现。
输出调节电路包括连接在放大电路的输出端和SiC MOSFET的栅极之间的输出模块,以及分别与脉冲信号发生器的输出端、放大电路的输出端和SiC MOSFET的栅极连接的调节模块。
该输出模块包括第四电阻R4；第四电阻R4的一端与放大电路的输出端连接，另一端与SiC MOSFET的栅极和NMOS管的漏极连接。
该调节模块包括至少一个晶体管调节单元；晶体管调节单元包括一NMOS管和连接在该NMOS管的源极的电阻；其中，各晶体管调节单元的电阻的另一端与放大电路的输出端连接；各晶体管调节单元的NMOS管的漏极分别与输出模块的输出端和SiC MOSFET的栅极连接，各晶体管调节单元的NMOS管的栅极与脉冲信号发生器连接以分别接收一个开关控制脉冲信号。
特别的，根据MOSFET的导通特性，调节模块可以设置四个并联连接的晶体管调节单元。如图2所示，调节模块的四个晶体管调节单元包括第二NMOS管Q2和连接在其源极的第五电阻R5组成的第一晶体管调节单元、由第三NMOS管Q3和连接在其源极的第七电阻R7组成的第二NMOS管调节单元、由第四NMOS管Q4和连接在其源极的第十电阻R10组成的第三NMOS管调节单元以及由第五NMOS管Q5和连接在其源极的第十二电阻R12组成的第四NMOS管调节单元。第五电阻R5、第七电阻R7、第十电阻R10和第十二电阻R12均与第四电阻R4的一端连接；第二NMOS管Q2、第三NMOS管Q3、第四NMOS管Q4和第五NMOS管Q5的漏极均与第四电阻R4的另一端以及SiC MOSFET的栅极连接；第二NMOS管Q2的栅极、第三NMOS管Q3的栅极、第四NMOS管Q4的栅极和第五NMOS管Q5的栅极均与脉冲信号发生器连接。
工作时，由于SiC MOSFET在开通过程中分为四个开通阶段；第一阶段，SiCMOSFET接收驱动信号，GS1开始充电，栅极电压还没有到达VGS(th)，导电沟道没有形成，SiCMOSFET仍处于关闭状态；第二阶段，GS间电压到达Vgs(th)，DS间导电沟道开始形成，SiCMOSFET开启，DS电流增加到ID，Cgs2迅速充电，Vgs由Vgs(th)指数增长到；第三阶段，SiCMOSFET的DS电压降至与Vgs相同，产生Millier效应，Cgd电容大大增加，栅极电流持续流过，由Cgd电容急剧增大，抑制了栅极电压对Cgs的充电，从而使得V gs近乎水平状态，Cgd电容上电压增加；而DS电容上的电压继续减小；第四阶段，SiC MOSFET的DS电压降至饱和导通时的电压效应影响变小，Cgd电容变小并和Cgs电容一起由外部驱动电压充电，Cgs电容的电压上升，此时Cgs电容电压达到稳态，SiCMOSFET完全开启。
并且，由于SiC MOSFET的开关与关断由栅源电压来控制，故本申请通过设置四个不同的晶体管调节单元，通过CPLD/FPGA控制开关控制脉冲信号控制四个晶体管调节单元的晶体管根据SiC MOSFET在开关过程的四个开通阶段依次开通，即不同晶体管调节单元的晶体管的导通支路的源极电阻与第四电阻R4(固定电阻)并联的阻值即为SiC MOSFET的栅极电阻阻值，又由于第五电阻R5、第七电阻R7、第十电阻R10和第十二电阻R12的阻值各不相同，即可通过开关控制脉冲信号控制各晶体管的导通进行电阻切换，根据SiC MOSFET在开通过程逐渐依次减小SiC MOSFET的栅极电阻，即实现自适应调节SiC MOSFET的栅极电阻，其调节迅速准确，可达到既能保证开关速度，降低开关损耗，又能防止误导通的目的。
为防止MOSFET被击穿损坏，第二NMOS管Q2的栅极通过第一保护电阻Rg1与脉冲信号发生器连接，第三NMOS管Q3的栅极通过第二保护电阻Rg2与脉冲信号发生器连接，第四NMOS管Q4的栅极通过第三保护电阻Rg3与脉冲信号发生器连接，第五NMOS管Q5的栅极通过第四保护电阻Rg4与脉冲信号发生器连接。
为避免主回路中的强电干扰控制回路中的弱电，同时使得驱动电路的输入输出端可以使用不同的地，避免其之间的干扰，该驱动电路还包括与设置在脉冲信号发生器与放大电路之间的第一隔离电路和设置在脉冲信号发生器与输出调节电路之间的第二隔离电路，用于对驱动电路的控制部分和主回路隔离。
其中，如图2所示，第一隔离电路用于隔离主脉冲信号，其包括第一光电隔离器OP1；第一光电隔离器OP1的输入端的一端通过第八电阻R8与脉冲信号发生器连接，另一端通过第六电阻R6接地；第一光电隔离器OP1的输入端的两端之间通过第五耦合电容C5连接；第一光电隔离器OP1的输出端与放大电路连接，且同时通过第九电阻R9接地。
如图3所示，第二隔离电路用于隔离开关控制脉冲信号，其包括第二光电隔离器OP2和第三光电隔离器OP3。第二光电隔离器OP2和第三光电隔离器OP3的输入端分别与脉冲信号发生器输出的四个开关控制脉冲信号VG1、VG2、VG3、VG4相连接。
并且，该驱动电路还包括与输出调节电路并联连接的快速开关电路，即该快速开关电路并联在第四电阻R4的两端，包括串联连接的续流二极管D1和第三电阻R3，且续流二极管D1的正极性端第三电阻R3的一端连接，续流二极管D1的负极性端连接至放大电路的输出端；SiC MOSFET导通的时候经过第四电阻R4，关断的时候经过续流二极管和第三电阻R3串联，快速放掉SiC MOSFET栅源结电容上的电荷，使得SiC MOSFET截止过程中加快,大大提高开关效率。
其中，上述放大电路包括驱动芯片U1，连接在驱动芯片U1的供电电源端和接地端之间的第六耦合电容C6，以及连接在驱动芯片U1的输出端和接地端之间的第七耦合电容C7；驱动芯片U1的输入端与第一光电隔离器OP1的输出端连接，驱动芯片U1的输出端与输出调节电路连接。
此外，由于NMOS管具有控制方式方便，输入电阻高，噪声低，热稳定性好，抗干扰能力强，功耗低等特性，故该栅极电阻的调节方式与其它方法相比较为简单，容易实现，且成本较低。
该驱动电路还包括用于为放大器、第一隔离电路和第二隔离电路供电的供电单元，供电电路包括第一供电单元和第二供电单元，其通过不同的DC-DC转换器将外接12V直流电压分别转换成适合于电路各部分所要求的电压。
其中，第一供电单元用于为放大器和第一隔离电路提供工作电压，其包括第一DC-DC转换器X1、第二DC-DC转换器X2、齐纳二极管D2和第一晶体管Q1；第一DC-DC转换器X1的正输出端分别与齐纳二极管D2的P极和第一晶体管Q1的集电极连接，第一DC-DC转换器X1的负输出端与第二DC-DC转换器X2的正输出端之间通过第二耦合电容C2连接，第二DC-DC转换器X2的负输出端接地；第一DC-DC转换器X1的公共端与正输出端之间连接有第一电容C1；齐纳二极管D2与第一DC-DC转换器X1的正输出端之间连接有第一电阻R1；第一晶体管Q1的基极通过第二电阻R2连接至第一电阻R1和齐纳二极管D2之间的节点，第一晶体管Q1的发射极通过第三电容C3接地，第一晶体管Q1的集电极与第一隔离电路的供电端连接。
如图4所示，第二供电单元用于为第二隔离电路提供工作电压，第二隔离电路包括第三DC-DC转换器P2，第三DC-DC转换器P2的正输出端与第二隔离电路的供电端连接。第一DC-DC转换器X1、第二DC-DC转换器X2的和第三DC-DC转换器P2的输入端均匀外接直流电源连接。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，包括：
脉冲信号发生器，用于提供一主脉冲信号和至少一个开关控制脉冲信号；
放大电路，用于接收主脉冲信号，并对主脉冲信号进行放大处理后发送至SiC MOSFET以驱动SiC MOSFET动作；
输出调节电路，用于接收开关控制脉冲信号，并根据开关控制脉冲信号调节SiCMOSFET的栅极的驱动电阻。
2.根据权利要求1的自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，所述输出调节电路包括连接在放大电路的输出端和SiC MOSFET的栅极之间的输出模块,以及分别与脉冲信号发生器的输出端、放大电路的输出端和SiC MOSFET的栅极连接的调节模块。
3.根据权利要求2的自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，所述调节模块包括至少一个晶体管调节单元；所述晶体管调节单元包括一NMOS管和连接在该NMOS管的源极的电阻；其中，各晶体管调节单元的电阻的另一端与放大电路的输出端连接；各晶体管调节单元的NMOS管的漏极分别与输出模块的输出端和SiC MOSFET的栅极连接，各晶体管调节单元的NMOS管的栅极与脉冲信号发生器连接以分别接收一个开关控制脉冲信号。
4.根据权利要求2的自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，所述调节模块包四个晶体管调节单元,所述晶体管调节单元包括一NMOS管和连接在该NMOS管的源极的电阻；其中，各晶体管调节单元的电阻的另一端与放大电路的输出端连接；各晶体管调节单元的NMOS管的漏极分别与输出模块的输出端和SiC MOSFET的栅极连接，各晶体管调节单元的NMOS管的栅极与脉冲信号发生器连接以分别接收一个开关控制脉冲信号。
5.根据权利要求2的自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，所述输出模块包括第四电阻R4；第四电阻R4的一端与放大电路的输出端连接，另一端与SiCMOSFET的栅极和NMOS管的漏极连接。
6.根据权利要求3或4的自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，各晶体管调节单元的NMOS管的栅极与脉冲发生器之间连接有一保护电阻。
7.根据权利要求3-5中任一项的自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，该驱动电路还包括设置在脉冲信号发生器与放大电路之间的第一隔离电路。
8.根据权利要求3-5中任一项的自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，该驱动电路还包括设置在脉冲信号发生器与各晶体管调节单元的NMOS管的栅极之间的第二隔离电路。
9.根据权利要求3-5中任一项的自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，该输出模块还包括与第四电阻R4并联连接的快速开关电路。
10.根据权利要求3-5中任一项的自适应调节驱动电阻的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，该驱动电路还包括用于为其供电的供电单元。
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