CN108063542A - 一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路 - Google Patents

一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路，所述驱动电路包括：全桥推挽电路、隔离驱动变压器、栅极正压驱动电路、栅极负压驱动电路；全桥推挽电路由两个N型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和两个P型MOSFET组成，全桥推挽电路前后桥臂的中心通过一个并联RC电路与隔离驱动变压器的初级绕组分别相连；所述隔离驱动变压器的两个次级绕组与栅极正压驱动电路、栅极负压驱动电路一起完成上、下桥臂碳化硅功率器件的直接驱动。本发明提供的碳化硅功率开关器件驱动电路能给出较高的正向驱动电压和较低的反向关断电压，避免串扰干扰，电路简单，成本低，可避免上下桥臂直通，初次级电气隔离，可靠性高。

Description

一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术及其应用领域，特别是涉及半桥或全桥拓扑结构电能变换器的碳化硅(SiC)功率开关器件驱动电路。
背景技术
每一种新的功率器件的成熟应用都会促进电力电子技术应用领域的跨越式发展。碳化硅(SiC)功率器件是一种宽带隙半导体新型功率器件，具有击穿电压高，导热率高，结温承受能力强，导通电阻小，开关速度快等优点，备受学者和工程师的关注，它的成熟应用必将促使电能变换设备(例如电力电子变压器、高频开关电源、逆变器等产品)性能和效率获得较大的提高。和传统MOSFET、IGBT等功率器件一样，SiC功率器件也是电压驱动型器件，工作中为确保功率器件的可靠关断，我们会给功率器件施加一个负电压，不同之处是SiC功率器件的关断负电压承受能力较小，不超过负10伏特，因此一些原先成熟的驱动电路不能直接移植过来用于SiC功率器件的驱动。为此，学者和工程师们设计了一些新型驱动电路，但大多存在电路结构复杂，控制方式复杂等问题，导致成本增加，可靠性下降；另外，这些方案大多驱动每个SiC功率器件时，需为每个SiC功率器件提供一路独立的供电电源，当用于半桥、全桥等拓扑时，导致需要多路独立电源，增加了电路复杂度和成本。因此，设计一款简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路具有较大的工程意义，本发明给出的一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路，具备电路简单，可靠性高，成本低的优点，可适用于脉冲频率调制(PFM)电路(如LLC谐振式的电力电子变压器和DC/DC变换器)和脉冲宽度调制(PWM)电路(如半桥、全桥DC/DC变换器等)。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路，能够以一种简单的电路结构提供高质量、高可靠，满足SiC功率器件驱动要求的，适用于上下桥臂驱动信号占空比相同，相位相反的应用场合。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路，所述驱动电路包括：全桥推挽电路、隔离驱动变压器、栅极正压驱动电路、栅极负压驱动电路；全桥推挽电路由两个N型MOSFET和两个P型MOSFET组成，全桥推挽电路前后桥臂的中心通过一个并联RC电路与隔离驱动变压器的初级绕组分别相连；所述隔离驱动变压器的两个次级绕组与栅极正压驱动电路、栅极负压驱动电路一起完成上、下桥臂碳化硅功率器件的直接驱动。
所述的全桥推挽电路，其所用的器件可以采用小功率的三极管或MOSFET，两个上桥臂的器件(Q1和Q2)采用NPN型的三极管或N型的MOSFET，两个下桥臂的器件(Q3和Q4)采用PNP型的三极管或P型的MOSFET；两个前桥臂(Q1和Q3)的基极(栅极)电阻(R1和R3)联接到一起，与一路驱动信号相连；两个后桥臂(Q2和Q4)的基极(栅极)电阻(R2和R4)联接到一起，与另一路驱动信号相连。
所述的全桥推挽电路的供电电源为直流电压源，其幅值与驱动信号的高电平幅值一致，大多数情况下该幅值为正15VDC，取值范围一般为正10VDC～正20VDC；脉冲驱动信号发生电路和全桥推挽电路可共用一路直流稳压电源。
所述隔离驱动变压器实现了驱动信号侧和SiC功率器件侧的电气隔离，确保了驱动信号测的控制电路的安全工作；隔离驱动变压器初级绕组的匝数和两个次级绕组的匝数相等，确保次级驱动电压与初级全桥推挽电路的电源电压值相等，因此调节全桥推挽电路的电源电压值，可以调节SiC功率器件的驱动电压值；隔离驱动变压器的两个次级绕组的同名端位置相反，以保证两个被驱动的SiC功率器件在任何时刻都不会被同时驱动导通，避免上下桥臂直通；所述隔离驱动变压器的两个初级绕组都有一个抽头，抽头将次级绕组分成两个绕组部分，各绕组之间的匝数关系如下：
式中，n1为初级绕组匝数，n2和n3分别为上桥臂驱动次级绕组匝数和下桥臂驱动初级绕组匝数，n21和n22是次级绕组n2被抽头分成的两部分绕组的匝数，n31和n32是次级绕组n3被抽头分成的两部分绕组的匝数。
所述栅极正压驱动电路包括次级绕组(n2，n3)，栅极电阻(RgH，RgL)，二极管(D1H，D1L)，栅源电阻(RgsH，RgsL)，栅源电容(CgsH，CgsL)组成；所述栅极负压驱动电路包括部分次级绕组(n22，n32)，放电电阻(RfH，RfL)，放电MOSFET管(QfH，QfL)，栅源电阻(RgsH，RgsL)，栅源电容(CgsH，CgsL)组成。
当SiC功率器件需要导通时，所述栅极正压驱动电路工作，因为栅源电阻Rgs(H，L)远远大于栅极电阻Rg(H，L)，次级绕组几乎全部电压值加到SiC功率器件的栅源之间，SiC功率器件饱和导通；当SiC功率器件需要关断时，所述栅极负压驱动电路工作，部分次级绕组(n22，n32)上的电压值加到SiC功率器件的源栅之间，使SiC功率器件栅源之间为一个较小的负电压(该负压值的大小可以由部分次级绕组匝数与整个次级绕组匝数匝数的比值来调节)，SiC功率器件可靠截止关断。
所述的栅极负压驱动电路中的放电MOSFET管(QfH，QfL)为次级绕组自驱动，简单可靠；驱动上桥臂SiC的次级绕组(n2)同名端为高电平时，放电MOSFET管QfH的栅源电压为负，处于关断状态，放电支路断开，此时，栅极正压驱动电路工作，上桥臂SiC被驱动导通；驱动上桥臂SiC的次级绕组(n2)异名端为高电平时，放电MOSFET管QfH的栅源电压为正，处于导通状态，放电支路联通，此时，栅极负压驱动电路工作，上桥臂SiC被驱动关断；下桥臂SiC的驱动情况类似：驱动下桥臂SiC的次级绕组(n3)异名端为高电平时，放电MOSFET管QfL的栅源电压为负，处于关断状态，放电支路断开，此时，栅极正压驱动电路工作，下桥臂SiC被驱动导通；驱动下桥臂SiC的次级绕组(n3)同名端为高电平时，放电MOSFET管QfL的栅源电压为正，处于导通状态，放电支路联通，此时，栅极负压驱动电路工作，下桥臂SiC被驱动关断。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路，能够以一种简单的电路结构实现单电源供电，输出高质量、高可靠，满足SiC功率器件驱动要求的实现上下桥臂驱动信号相位互补但幅值不对称的驱动信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路的原理图；
图2为本发明实施例驱动脉冲信号与SiC器件栅源驱动电压波形时序图；
图3为本发明实施例上桥臂正压驱动、死区状态和负压关断说明示意图；
图4为本发明实施例完整的正压驱动说明示意图；
图5为本发明实施例完整的死区状态说明示意图；
图6为本发明实施例完整的负压驱动说明示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路，能够以一种简单的电路结构提供高质量、高可靠，满足SiC功率器件驱动要求的，适用于上下桥臂驱动信号占空比相同，相位相反的应用场合。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
如图1所示，一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路，所述驱动电路包括：全桥推挽电路、隔离驱动变压器、栅极正压驱动电路、栅极负压驱动电路；全桥推挽电路由两个N型MOSFET和两个P型MOSFET组成，全桥推挽电路前后桥臂的中心通过一个并联RC电路与隔离驱动变压器的初级绕组分别相连；所述隔离驱动变压器的两个次级绕组与栅极正压驱动电路、栅极负压驱动电路一起完成上、下桥臂碳化硅功率器件的直接驱动。
因为SiC功率器件的栅源极电压Vgs正向能承受的电压值一般不超过直流25V，反向负电压能承受的电压值一般不超过直流10V，因此，叠加在SiC功率器件的栅源极电压Vgs正负方向电压值不对称，正向电压值要大于反向电压值。如图2所示，是本发明的驱动脉冲信号与SiC器件栅源驱动电压波形时序图，SiC器件栅源驱动电压波形正向电压值通常取15VDC，反向电压值通常取-5VDC，死区时间或续流期，电压值为0V。
所述的全桥推挽电路，其所用的器件可以采用小功率的三极管或MOSFET，两个上桥臂的器件(Q1和Q2)采用NPN型的三极管或N型的MOSFET，两个下桥臂的器件(Q3和Q4)采用PNP型的三极管或P型的MOSFET；两个前桥臂(Q1和Q3)的基极(栅极)电阻(R1和R3)联接到一起，与一路驱动信号相连；两个后桥臂(Q2和Q4)的基极(栅极)电阻(R2和R4)联接到一起，与另一路驱动信号相连。
所述的全桥推挽电路的供电电源为直流电压源，其幅值与驱动信号的高电平幅值一致，大多数情况下该幅值为正15VDC，因为SiC功率器件的栅源极正向能承受的电压值一般不超过25V，所以电源电压取值范围一般为正10VDC～正20VDC；脉冲驱动信号发生电路和全桥推挽电路可共用一路直流稳压电源。
所述隔离驱动变压器实现了驱动信号侧和SiC功率器件侧的电气隔离，确保了驱动信号测的控制电路的安全工作；隔离驱动变压器初级绕组的匝数和两个次级绕组的匝数相等，确保次级驱动电压与初级全桥推挽电路的电源电压值相等，因此调节全桥推挽电路的电源电压值，可以调节SiC功率器件的驱动电压值；隔离驱动变压器的两个次级绕组的同名端位置相反，以保证两个被驱动的SiC功率器件在任何时刻都不会被同时驱动导通，避免上下桥臂直通；所述隔离驱动变压器的两个初级绕组都有一个抽头，抽头将次级绕组分成两个绕组部分，各绕组之间的匝数关系如下。
所述栅极正压驱动电路包括次级绕组(n2，n3)，栅极电阻(RgH，RgL)，二极管(D1H，D1L)，栅源电阻(RgsH，RgsL)，栅源电容(CgsH，CgsL)组成；所述栅极负压驱动电路包括部分次级绕组(n22，n32)，放电电阻(RfH，RfL)，放电MOSFET管(QfH，QfL)，栅源电阻(RgsH，RgsL)，栅源电容(CgsH，CgsL)组成。
当SiC功率器件需要导通时，所述栅极正压驱动电路工作，因为栅源电阻Rgs(H，L)远远大于栅极电阻Rg(H，L)，次级绕组几乎全部电压值加到SiC功率器件的栅源之间，SiC功率器件饱和导通；当SiC功率器件需要关断时，所述栅极负压驱动电路工作，部分次级绕组(n22，n32)上的电压值加到SiC功率器件的源栅之间，使SiC功率器件栅源之间为一个较小的负电压(该负压值的大小可以由部分次级绕组匝数与整个次级绕组匝数匝数的比值来调节)，SiC功率器件可靠截止关断。
所述的栅极负压驱动电路中的放电MOSFET管(QfH，QfL)为次级绕组自驱动，简单可靠；以上桥臂SiC公里处器件的驱动为例做说明，如图3所示，是上桥臂正压驱动、死区状态和负压关断说明示意图。如图3(a)，驱动上桥臂SiC的次级绕组同名端为高电平时，放电MOSFET管QfH的栅源电压为负，QfH处于关断状态，放电支路断开，此时，栅极正压驱动电路工作，Vgs等于驱动电路的供电电源电压Vcc，上桥臂SiC被驱动导通；如图3(b)，在死区或续流期，全桥推挽电路的四个开关器件都处于截止状态，隔离驱动变压器的一次测电流为零，隔离驱动变压器的次级绕组电流也为零，放电MOSFET管QfH的栅源电压为0V，QfH处于关断状态，放电支路断开，SiC功率器件的栅源电容CgsH很小，通过电阻RgsH快速放电，栅极电压Vgs快速降到0V，上桥臂SiC进入截止状态；如图3(c)，驱动上桥臂SiC的次级绕组异名端为高电平时，放电MOSFET管QfH的栅源电压为正，处于导通状态，放电支路联通，此时，二极管D1H反向截止，绕组n22对栅源电容CgsH反向充电，充电电压的大小如式(2)，由绕组n22决定，上桥臂SiC被驱动关断；
下桥臂SiC的驱动情况类似：驱动下桥臂SiC的次级绕组异名端为高电平时，放电MOSFET管QfL的栅源电压为负，处于关断状态，放电支路断开，此时，栅极正压驱动电路工作，下桥臂SiC被驱动导通；在死区或续流期，栅极电压Vgs等于0V，上桥臂SiC进入截止状态；驱动下桥臂SiC的次级绕组同名端为高电平时，放电MOSFET管QfL的栅源电压为正，处于导通状态，放电支路联通，此时，栅极负压驱动电路工作，绕组n32对栅源电容CgsL反向充电，充电电压的大小如式(3)，由绕组n32决定，上桥臂SiC被驱动关断；
图4～图6给出了完整的正压驱动，死区状态，负压驱动的电流流动和电压方向的说明示意图。
本发明提供的简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路，适用于半桥、全桥等拓扑结构的电能变换器，具备电路简单的特点，即使驱动多个SiC功率器件也只需要一路直流供电电源即可满足需求，上下桥臂的驱动电路彼此隔离；具备正负不对称的驱动电压，能输出正15VDC和负5VDC的驱动电压，满足SiC功率器件对驱动电压的要求，通过调节隔离驱动变压器次级绕组的抽头匝比，可以调节负压的幅值，增加了设计的灵活度；隔离驱动变压器次级绕组的同名端位置相反，确保在任何意外情况下，上下桥臂SiC功率器件栅源电压Vgs不会同时为高电平，避免了上下桥臂直通的可能，具备相当的可靠性。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括：全桥推挽电路、隔离驱动变压器、栅极正压驱动电路、栅极负压驱动电路；全桥推挽电路由两个N型MOSFET和两个P型MOSFET组成，全桥推挽电路前后桥臂的中心通过一个并联RC电路与隔离驱动变压器的初级绕组分别相连；所述隔离驱动变压器的两个次级绕组与栅极正压驱动电路、栅极负压驱动电路一起完成上、下桥臂碳化硅功率器件的直接驱动。
2.根据权利要求1所述的一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述隔离驱动变压器初级绕组的匝数和两个次级绕组的匝数相等，两个次级绕组的同名端位置相反；
所述隔离驱动变压器的两个次级绕组都有一个抽头，抽头将次级绕组分成两个绕组部分，各绕组之间的匝数关系如下：
式中，n1为初级绕组匝数，n2和n3分别为上桥臂驱动次级绕组匝数和下桥臂驱动初级绕组匝数，n21和n22是次级绕组n2被抽头分成的两部分绕组的匝数，n31和n32是次级绕组n3被抽头分成的两部分绕组的匝数。
3.根据权利要求1所述的一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述栅极正压驱动电路包括次级绕组(n2，n3)，栅极电阻(RgH，RgL)，二极管(D1H，D1L)，栅源电阻(RgsH，RgsL)，栅源电容(CgsH，CgsL)组成。
4.根据权利要求1所述的一种简单可靠低成本碳化硅功率开关器件驱动电路，其特征在于，所述栅极负压驱动电路包括部分次级绕组(n22，n32)，放电电阻(RfH，RfL)，放电MOSFET管(QfH，QfL)，栅源电阻(RgsH，RgsL)，栅源电容(CgsH，CgsL)组成。
5.根据权利要求5所述的栅极负压驱动电路，其特征在于，所述放电MOSFET管(QfH，QfL)为次级绕组自驱动，当上桥臂驱动次级绕组n2同名端为高电平，放电MOSFET管QfH的栅源电压为负，处于关断状态；当下桥臂驱动次级绕组n3异名端为高电平时，放电MOSFET管QfL的栅源电压为负，处于关断状态；反之，当上桥臂驱动次级绕组n2异名端为高电平，放电MOSFET管QfH的栅源电压为正，处于导通状态；当下桥臂驱动次级绕组n3同名端为高电平时，放电MOSFET管QfL的栅源电压为正，处于导通状态。
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