CN108649942B - 一种多路SiC MOS管驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种多路SiC MOS管驱动电路，其特征在于：包括方波交流电源、控制电源、控制电路、第1、2～n路驱动电路；驱动脉冲的综合性能更优；克服了单独35V集成驱动器不具有控制端与功率端的隔离功能和不具有功率管过流保护功能的不足；电路结构简单、体积小、成本低、可扩展性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种多路SiC MOS管驱动电路。
背景技术
SiC器件相对于传统的Si器件，SiC的绝缘击穿场强大约是Si的10倍，能够以更高的杂质浓度和更薄的厚度的漂移层制作出600V～数千V的高耐压功率器件。常规Si器件采用少数载流子结构来实现高耐压器件，进而减少导通电阻，但却带来了开关损耗大的问题。然而，SiC材料却能够以多数载流子结构来实现高耐压，从而可同时实现“高耐压”、“低导通电阻”、“高频”这三个特性。1200V SiC MOS管的损耗仅为1200V IGBT管的1/5左右。SiC器件的上限结温可比Si器件高25～50℃。SiC MOS管的低损耗、高结温特性可更好地满足功率设备高效率、高功率密度和高工作环境温度需要。
对于SiC MOS器件，其驱动电压在18V以内均会对导通电阻造成较为明显的影响，故驱动电压正脉冲通常需达到+18～+20V；其驱动的阀值电压为+3V左右，数值较低，同时其反向耐压较低，仅为-10V左右，因此，驱动电压负脉冲通常取-5V左右。与常规Si器件使用的+15V/-15V、+15V/-8V和+15V/0V驱动相比，驱动的正脉冲电压更高，驱动必要有负电压且负电压值不能过大。驱动电压上的差别，使得采用脉冲变压器产生+15V/-15V驱动的方式对SiC MOS管的驱动设计没有借鉴意义，使得常规由20V极限耐压非隔离集成驱动电路产生的+15V/0V驱动不能满足SiC MOS管低导通电阻和可靠关断的要求。
对于军用产品，其环境温度要求严格，通常需要其电路采用工作温度范围不小于-40～+105℃的器件实现，因此，构成SiC MOS管驱动电路的器件需要工作温度范围不小于-40～+105℃才能满足军用产品的要求。
对于SiC MOS管的驱动电路，目前主要的实现策略有以下几种：
1)采用+20V/-8V极限耐压隔离集成驱动电路产生+18V/-5V驱动。+20V/-8V极限耐压隔离集成驱动电路可以采用内部集成磁耦隔离或光耦隔离，具有检测功率漏源极电压进行功率管过流保护的功能。隔离集成驱动电路体积小、外围电路简单。
2)采用+20V/-8V极限耐压隔离集成驱动电路产生+18V/-5V驱动，再通过分离功率管构成的推挽电路扩流。常规的隔离集成驱动电路驱动峰值电流较小，难以直接推动输入电容较大的功率管。此时，通过添加分离功率管构成的推挽电路可提高驱动的电流。
3)采用SiC MOS管的集成驱动模块产生+20V/-5V驱动。通常驱动模块由直流供电，其自带驱动所需的隔离电源。集成驱动模块具有使用方便、驱动正负脉冲切换速度快和峰值电流高的优点。
方案1)所述的隔离集成驱动电路所提供的驱动峰值电流较低，通常不可用于大功率SiC MOS管；其次，通常SiC MOS管驱动高电平在+20V时的特性优于+18V，但+20V为隔离集成驱动电路的极限电压，为了保证电路可靠性，而隔离集成驱动电路通常最多只能输出+18V；还有，隔离集成电路的保护阀值电压是固定值，通常性不强。方案2)所述的隔离集成驱动电路与分离功率管推挽电路配合使用方法克服了隔离集成驱动电路所提供的驱动电流低的不足，但是，分离元件构成的推挽电路难以做到驱动峰值电流和正负脉冲切换速度的折衷，通常正负脉冲切换速度较慢；同时，该方案也未的克服驱动正脉冲难以高于+18V和保护阀值电压固定的不足。方案3)所述的SiC MOS管集成驱动模块通常采用隔离DC-DC模块来为驱动电路供电，但隔离DC-DC模块的成本高，体积大；同时，集成SiC MOS管的驱动模块的器件数量较多，通常可承受环境温度为-40～+80℃，不满足军用产品器件温度通常需要达到-40～+105℃的需求；还有SiC MOS管集成驱动模块通常体积较大，且封装形式固定，限制了功率设备的整体布局优化，不利于功率设备的小型化设计。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种SiC MOS管驱动电路。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种多路SiC MOS管驱动电路，其特征在于：包括方波交流电源、控制电源、控制电路、第1、2～n路驱动电路；所述方波交流电源正极vp+和负极vp-分别与控制电源和第1、2～n路驱动电路的正极vp+和负极vp+连接，控制电源输出端Vo+和接地端Gnd分别与控制电路的电源端Vcc和接地端Gnd、第1、2～n路驱动电路的+5V电源端和接地端Gnd连接，控制电路的驱动端G1、G2～Gn与第1、2～n路驱动电路的输入驱动端G1、G2～Gn连接，第1、2～n路驱动电路的故障反馈端F1、F2～Fn与控制电路的故障反馈端F1、F2～Fn连接，第1、2～n路驱动电路输出驱动端Go1、Go2～Gon输出驱动端分别与SiC MOS管V1、V2～Vn的栅极连接，SiC MOS管V1、V2～Vn的漏极分别与第1、2～n路驱动电路的故障检测端Vce1、Vce2～Vcen连接，SiC MOS管V1、V2～Vn的源极分别与第1、2～n路驱动电路接地端Gnd1、Gnd2～Gndn连接。
所述驱动电路包括驱动电源、集成隔离驱动器、集成驱动器，所述驱动电源的输出端正极Vo+分别与集成驱动器的供电正极Vcc、稳压管Z1x阴极、电阻R1x一端连接，电阻R1x另一端与稳压管Z2x的阴极连接，驱动电源的输出端负极Vo-分别与集成驱动器的供电参考地端Gnd、集成隔离驱动器的输出供电负极端Vco-连接，稳压管Z1x阳极与集成隔离驱动器的输出供电正极端Vco+输出连接，集成隔离驱动器的故障反馈输入端Fi经电阻R2x与稳压管Z2x阴极连接，集成隔离驱动器的故障反馈输入端Fi经电阻R3x与二极管D1x的阳极连接，集成隔离驱动器的驱动输出端Vo与集成驱动器的驱动输入端Vi连接。所述驱动电路的vp+和vp-端做为驱动电源的vp+和vp-端，集成隔离驱动器的输入供电正极端Vci、输入供电参考地端Gndi、输入驱动端Vi、故障反馈端Fo分别做为驱动电路的+5V电源端、Gnd接地端、输入驱动端Gx、故障反馈端Fx，二极管D1x的阴极为驱动电路的故障反馈端Vcex，集成驱动器的输出驱动端Vo与电阻Rgx连接后作为驱动电路的输出驱动端Gox，驱动电路的Gndx端分别与集成隔离驱动器的Gndo输出供电参考地端连接、经电容C1x与集成隔离驱动器的Fi故障反馈输入端连接、与稳压管Z2x阳极连接、与驱动电源的Gnd输出参考地端连接。
所述方波交流电源包括直流稳压电源、双路PWM集成电路、反向驱动电路1、反向驱动电路2、N沟道MOS管Q2和MOS管Q4、P沟道MOS管Q1和MOS管Q3，所述直流稳压电源的正极分别与双路PWM集成电路的供电正极端Vcc、反向驱动电路1的供电正极端Vcc、反向驱动电路2的供电正极端连接Vcc、MOS管Q1的源极、MOS管Q3的源极连接，直流稳压电源的参考地端分别与双路PWM集成电路的供电参考端Gnd、反向驱动电路1的供电参考端Gnd、反向驱动电路2的供电参考端Gnd、MOS管Q2的源极、MOS管Q4的源极连接，双路PWM集成电路的驱动端GA分别与反向驱动电路1的驱动输入端Vi、电阻R2一端连接，电阻R2另一端与MOS管Q2的栅极连接，双路PWM集成电路的驱动端GB分别与反向驱动电路2的驱动输入端Vi、电阻R4一端连接，电阻R4另一端与MOS管Q4的栅极连接，反向驱动电路1的驱动输出端Vo经电阻R3与MOS管Q3的栅极连接，反向驱动电路2的驱动输出端Vo经电阻R1与MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的漏极和MOS管Q2的漏极连接后共同作为方波交流电源的vp+端，Q3的漏极和Q4的漏极连接后共同作为方波交流电源的vp-端。
所述控制电源包括其vp+端、vp-端、输出端Vo+、接地端Gnd、变压器T1、二极管D1～D4、电容C1和C2，所述vp+端经电容C1与变压器T1初级绕组N1的一端连接，vp-端与变压器T1初级绕组N1的另一端连接，变压器T1次级绕组N2的一端分别与二极管D1的阳极和D2的阴极连接，变压器T1次级绕组N2的另一端分别与二极管D3的阳极和D4的阴极连接，Vo+端分别与二极管D1的阴极和D3的阴极连接，Gnd端分别与二极管D2的阳极和D4的阳极连接，电容C2两端分别与输出端Vo+和接地端Gnd连接。
所述驱动电源包括其vp+端、vp-端、Vo+端、Gnd端、Vo-端、变压器T1x、二极管D2x～D9x、电容C2x～C4x，是由vp+端经电容C2x与变压器T1x初级绕组N1x的一端连接，vp-端与变压器T1x初级绕组N1x的另一端连接，变压器T1x次级绕组N2x的一端分别与二极管D2x的阳极和二极管D3x的阴极连接，变压器T1x次级绕组N2x的另一端分别与二极管D4x的阳极和二极管D5x的阴极连接，Vo+端分别与二极管D2x的阴极和D4x的阴极连接，所述Gnd端分别与二极管D3x的阳极和D5x的阳极连接，电容C3x两端分别与Vo+端和Gnd端连接，变压器T1x次级绕组N3x的一端分别与二极管D6x的阳极和二极管D7x的阴极连接，变压器T1x次级绕组N3x的另一端分别与二极管D8x的阳极和二极管D9x的阴极连接，Gnd端分别与二极管D6x的阴极和二极管D8x的阴极连接，Vo-端分别与二极管D7x的阳极和D9x的阳极连接，电容C4x两端分别与Gnd端和Vo-端连接。
本发明的有益效果在于：1)由35V集成驱动器输出驱动脉冲，相对于分离功率管构成推挽电路输出的驱动脉冲，驱动峰值电流和正负脉冲切换速度进行了较好了折衷，驱动脉冲的综合性能更优；
2)采用+20V/-8V集成隔离驱动器与35V集成驱动器配合使用的结构，克服了单独+20V/-8V集成隔离驱动器输出驱动脉冲峰值电流低和正脉冲电平低的不足，克服了单独35V集成驱动器不具有控制端与功率端的隔离功能和不具有功率管过流保护功能的不足；
3)+20V/-8V集成隔离驱动器采用+20V直流经2.7V稳压管与+20V/-8V集成隔离驱动器的输出供电正极端连接来保证20V/-8V集成隔离驱动器的输出供电正极端电压低于+18V，使其与极限电压+20V有一定的安全裕量；
4)采用幅值稳定、相位相差180°、占空比略小于50％的高频脉冲vp+和vp来为各路驱动电路供电，电压可通过变压器匝比调节改变，直流电源可由高频脉冲整流得到，相对于采用DC/DC模块提供驱动电路所需+20V和-5V电压的方式，电路结构简单、体积小、成本低、可扩展性强；
5)驱动电路所需-5V电压由变压器的独立绕组整流得到，相对于采用正脉冲电压经电阻在5V稳压管上形成的-5V电压，-5V电压的带载能力更强，效率更高；
6)通过在+20V/-8V集成隔离驱动器外围添加电路来使功率管的过流保护阀值电压可调，克服了常规集成隔离驱动器过流保护阀值电压不可调的不足；
7)所提出的驱动电路可采用温度范围不窄于-40～+105℃的器件实现，可克服常规驱动模块可承受环境温度为-40～+80℃较窄，不能满足军用产品需求的不足的缺点。
附图说明
图1：多路SiC MOS管的驱动电路装置结构框图；
图2：任意一路驱动电路图；
图3：方波交流电源原理框图；
图4：控制电源电路图；
图5：驱动电源电路图；
图6：变压器次级高频脉冲对比波形图；
图7：驱动电路的动态波形图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
一种多路SiC MOS管驱动电路，其特征在于：包括方波交流电源、控制电源、控制电路、第1、2～n路驱动电路；所述方波交流电源正极vp+和负极vp-分别与控制电源和第1、2～n路驱动电路的正极vp+和负极vp+连接，控制电源输出端Vo+和接地端Gnd分别与控制电路的电源端Vcc和接地端Gnd、第1、2～n路驱动电路的+5V电源端和接地端Gnd连接，控制电路的驱动端G1、G2～Gn与第1、2～n路驱动电路的输入驱动端G1、G2～Gn连接，第1、2～n路驱动电路的故障反馈端F1、F2～Fn与控制电路的故障反馈端F1、F2～Fn连接，第1、2～n路驱动电路输出驱动端Go1、Go2～Gon输出驱动端分别与SiC MOS管V1、V2～Vn的栅极连接，SiC MOS管V1、V2～Vn的漏极分别与第1、2～n路驱动电路的故障检测端Vce1、Vce2～Vcen连接，SiC MOS管V1、V2～Vn的源极分别与第1、2～n路驱动电路接地端Gnd1、Gnd2～Gndn连接。
所述驱动电路包括驱动电源、集成隔离驱动器、集成驱动器，所述驱动电源的输出端正极Vo+分别与集成驱动器的供电正极Vcc、稳压管Z1x阴极、电阻R1x一端连接，电阻R1x另一端与稳压管Z2x的阴极连接，驱动电源的输出端负极Vo-分别与集成驱动器的供电参考地端Gnd、集成隔离驱动器的输出供电负极端Vco-连接，稳压管Z1x阳极与集成隔离驱动器的输出供电正极端Vco+输出连接，集成隔离驱动器的故障反馈输入端Fi经电阻R2x与稳压管Z2x阴极连接，集成隔离驱动器的故障反馈输入端Fi经电阻R3x与二极管D1x的阳极连接，集成隔离驱动器的驱动输出端Vo与集成驱动器的驱动输入端Vi连接。所述驱动电路的vp+和vp-端做为驱动电源的vp+和vp-端，集成隔离驱动器的输入供电正极端Vci、输入供电参考地端Gndi、输入驱动端Vi、故障反馈端Fo分别做为驱动电路的+5V电源端、Gnd接地端、输入驱动端Gx、故障反馈端Fx，二极管D1x的阴极为驱动电路的故障反馈端Vcex二，集成驱动器的输出驱动端Vo与电阻Rgx连接后作为驱动电路的输出驱动端Gox，驱动电路的Gndx端分别与集成隔离驱动器的Gndo输出供电参考地端连接、经电容C1x与集成隔离驱动器的Fi故障反馈输入端连接、与稳压管Z2x阳极连接、与驱动电源的Gnd输出参考地端连接。
所述方波交流电源包括直流稳压电源、双路PWM集成电路、反向驱动电路1、反向驱动电路2、N沟道MOS管Q2和Q4、P沟道MOS管Q1和Q3，所述直流稳压电源的正极分别与双路PWM集成电路的供电正极端Vcc、反向驱动电路1的供电正极端Vcc、反向驱动电路2的供电正极端连接Vcc、MOS管Q1的源极、MOS管Q3的源极连接，直流稳压电源的参考地端分别与双路PWM集成电路的供电参考端Gnd、反向驱动电路1的供电参考端Gnd、反向驱动电路2的供电参考端Gnd、MOS管Q2的源极、MOS管Q4的源极连接，双路PWM集成电路的驱动端GA分别与反向驱动电路1的驱动输入端Vi、电阻R2一端连接，电阻R2另一端与MOS管Q2的栅极连接，双路PWM集成电路的驱动端GB分别与反向驱动电路2的驱动输入端Vi、电阻R4一端连接，电阻R4另一端与MOS管Q4的栅极连接，反向驱动电路1的驱动输出端Vo经电阻R3与MOS管Q3的栅极连接，反向驱动电路2的驱动输出端Vo经电阻R1与MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的漏极和MOS管Q2的漏极连接后共同作为方波交流电源的vp+端，Q3的漏极和Q4的漏极连接后共同作为方波交流电源的vp-端。
所述控制电源包括其vp+端、vp-端、输出端Vo+、接地端Gnd、变压器T1、二极管D1～D4、电容C1和C2，所述vp+端经电容C1与变压器T1初级绕组N1的一端连接，vp-端与变压器T1初级绕组N1的另一端连接，变压器T1次级绕组N2的一端分别与二极管D1的阳极和D2的阴极连接，变压器T1次级绕组N2的另一端分别与二极管D3的阳极和D4的阴极连接，Vo+端分别与二极管D1的阴极和D3的阴极连接，Gnd端分别与二极管D2的阳极和D4的阳极连接，电容C2两端分别与输出端Vo+和接地端Gnd连接。
所述驱动电源包括其vp+端、vp-端、Vo+端、Gnd端、Vo-端、变压器T1x、二极管D2x～D9x、电容C2x～C4x，是由vp+端经电容C2x与变压器T1x初级绕组N1x的一端连接，vp-端与变压器T1x初级绕组N1x的另一端连接，变压器T1x次级绕组N2x的一端分别与二极管D2x的阳极和二极管D3x的阴极连接，变压器T1x次级绕组N2x的另一端分别与二极管D4x的阳极和二极管D5x的阴极连接，Vo+端分别与二极管D2x的阴极和D4x的阴极连接，所述Gnd端分别与二极管D3x的阳极和D5x的阳极连接，电容C3x两端分别与Vo+端和Gnd端连接，变压器T1x次级绕组N3x的一端分别与二极管D6x的阳极和二极管D7x的阴极连接，变压器T1x次级绕组N3x的另一端分别与二极管D8x的阳极和二极管D9x的阴极连接，Gnd端分别与二极管D6x的阴极和二极管D8x的阴极连接，Vo-端分别与二极管D7x的阳极和D9x的阳极连接，电容C4x两端分别与Gnd端和Vo-端连接。
图1所示为多路SiC MOS管的驱动电路，包括方波交流电源，控制电源，控制电路和第1、2～n路驱动电路；是由方波交流电源vp+和vp-端分别与控制电源和第1、2～n路驱动电路的vp+和vp-端连接，控制电源Vo+和Gnd端分别与控制电路的Vcc和Gnd供电端连接、与第1、2～n路驱动电路的+5V和Gnd端连接，控制电路的G1、G2～Gn驱动端与第1、2～n路驱动电路的G1、G2～Gn输入驱动端连接，第1、2～n路驱动电路的F1、F2～Fn故障反馈端与控制电路的F1、F2～Fn故障反馈端连接，SiC MOS管V1、V2～Vn的栅极分别与第1、2～n路驱动电路Go1、Go2～Gon输出驱动端连接，SiC MOS管V1、V2～Vn的漏极分别与第1、2～n路驱动电路Vce1、Vce2～Vcen故障检测端连接，SiC MOS管V1、V2～Vn的源极分别与第1、2～n路驱动电路Gnd1、Gnd2～Gndn端连接构成。
图2所示为第1、2～n路驱动电路中任意一路的电路图。包括驱动电源x，+20V/-8V集成隔离驱动器x，35V集成驱动器x，稳压管Z1x、Z2x，二极管D1x，电阻R1x、R2x、R3x、Rgx，电容C1x；是由第x路驱动电路的vp+和vp-端分别与+20V/-8V集成隔离驱动器x和驱动电源x的vp+和vp-端连接，第x路驱动电路的+5V和Gnd端分别与+20V/-8V集成隔离驱动器x的Vci输入供电正极端和Gndi输入供电参考地端连接，第x路驱动电路的Gx输入驱动端与+20V/-8V集成隔离驱动器x的Vi输入驱动端连接，第x路驱动电路的Fx故障反馈端与+20V/-8V集成隔离驱动器x的Fo故障反馈输出端连接，第x路驱动电路的Vcex故障反馈端与二极管D1x阴极连接，第x路驱动电路的Gox输出驱动端经电阻Rgx与35V集成驱动器x的Vo输出驱动端连接，第x路驱动电路的Gndx端分别与+20V/-8V集成隔离驱动器x的Gndo输出供电参考地端连接、经电容C1x与+20V/-8V集成隔离驱动器x的Fi故障反馈输入端连接、与12V稳压管Z2x阳极连接、与驱动电源x的Gnd输出参考地端连接，驱动电源x的Vo+输出+20Vx端分别与35V集成驱动器x的Vcc供电正极端连接、与2.7V稳压管Z1x阴极连接、经R1x与12V稳压管Z2x阴极连接，驱动电源x的Vo-输出-5Vx端分别与35V集成驱动器x的Gnd供电参考地端连接、与+20V/-8V集成隔离驱动器x的Vco-输出供电负极端连接，2.7V稳压管Z1x阳极与+20V/-8V集成隔离驱动器x的Vco+输出供电正极端连接，12V稳压管Z2x阴极经电阻R2x与+20V/-8V集成隔离驱动器x的Fi故障反馈输入端连接，+20V/-8V集成隔离驱动器x的Fi故障反馈输入端经电阻R3x与二极管D1x的阳极连接，+20V/-8V集成隔离驱动器x的Vo驱动输出端与35V集成驱动器x的Vi驱动输入端连接构成。
+20V/-8V集成隔离驱动器选用Infineon公司的1ED020I12FA2，工作温度为-40℃～125℃。35V集成驱动器选用IXYS公司的IXDN609PI，驱动峰值电流为9A，工作温度为-40℃～125℃。
由35V集成驱动器输出驱动脉冲，相对于分离功率管构成推挽电路输出的驱动脉冲，驱动峰值电流和正负脉冲切换速度进行了较好了折衷，驱动脉冲的综合性能更优。采用+20V/-8V集成隔离驱动器与35V集成驱动器配合使用的结构，克服了单独+20V/-8V集成隔离驱动器输出驱动脉冲峰值电流低和正脉冲电平低的不足，克服了单独35V集成驱动器不具有控制端与功率端的隔离功能和不具有功率管过流保护功能的不足。+20V/-8V集成隔离驱动器采用+20V直流经2.7V稳压管与+20V/-8V集成隔离驱动器的输出供电正极端连接来保证20V/-8V集成隔离驱动器的输出供电正极端电压低于+18V，使其与极限电压+20V有一定的安全裕量。
图3所示为方波交流电源原理框图，方波交流电源包括直流稳压电源、双路PWM集成电路、反向驱动电路1、反向驱动电路2、电阻R1～R4、N沟道MOS管Q2和Q4、P沟道MOS管Q1和Q3，是由直流稳压电源的+13.5V正极端分别与双路PWM集成电路的Vcc供电正极端连接、与反向驱动电路1的Vcc供电正极端连接、与反向驱动电路2的Vcc供电正极端连接、Q1的源极连接、Q3的源极连接，直流稳压电源参考地端分别与双路PWM集成电路的Gnd供电参考端连接、与反向驱动电路1的Gnd供电参考端连接、与反向驱动电路2的Gnd供电参考端连接、Q2的源极连接、Q4的源极连接，双路PWM集成电路的GA驱动端分别与反向驱动电路1的Vi驱动输入端连接、经电阻R2与Q2的栅极连接，双路PWM集成电路的GB驱动端分别与反向驱动电路2的Vi驱动输入端连接、经电阻R4与Q4的栅极连接，反向驱动电路1的Vo驱动输出端经电阻R3与Q3的栅极连接，反向驱动电路2的Vo驱动输出端经电阻R1与Q1的栅极连接，vp+端分别与Q1的漏极和Q2的漏极连接，vp-端分别与Q3的漏极和Q4的漏极连接构成。
双路PWM集成电路选用Microsemi公司的SG1525AJ/883B，工作温度为-55～+120℃。反向驱动电路1和反向驱动电路2选用IXYS公司的IX4423N实现，其集成了两路反向驱动电路，工作温度为-40℃～125℃。Q2和Q4选用IR公司的IRFR120N，Q1和Q3选用IR公司的IRFR9024N，Q1～Q4的工作温度为-55～+150℃。直流稳压电源基于PI公司的TOP225YN实现，用于将+270V直流母线电压稳压输出+13.5V直流，TOP225YN的工作温度为-40+150℃。
图4所示为控制电源电路图，控制电源包括变压器T1、二极管D1～D4、电容C1和C2，是由vp+端经电容C1与变压器T1初级绕组N1的一端连接，vp-端与变压器T1初级绕组N1的另一端连接，变压器T1次级绕组N2的一端分别与二极管D1的阳极和D2的阴极连接，变压器T1次级绕组N2的另一端分别与二极管D3的阳极和D4的阴极连接，Vo+端分别与二极管D1的阴极和D3的阴极连接，Gnd端分别与二极管D2的阳极和D4的阳极连接，电容C2两端分别与Vo+端和Gnd端连接构成。
图5所示为驱动电源电路图，驱动电源包括变压器T1x、二极管D2x～D9x、电容C2x～C4x，是由vp+端经电容C2x与变压器T1x初级绕组N1x的一端连接，vp-端与变压器T1x初级绕组N1x的另一端连接，变压器T1x次级绕组N2x的一端分别与二极管D2x的阳极和D3x的阴极连接，变压器T1x次级绕组N2x的另一端分别与二极管D4x的阳极和D5x的阴极连接，Vo+端分别与二极管D2x的阴极和D4x的阴极连接，Gnd端分别与二极管D3x的阳极和D5x的阳极连接，电容C3x两端分别与Vo+端和Gnd端连接，变压器T1x次级绕组N3x的一端分别与二极管D6x的阳极和D7x的阴极连接，变压器T1x次级绕组N3x的另一端分别与二极管D8x的阳极和D9x的阴极连接，Gnd端分别与二极管D6x的阴极和D8x的阴极连接，Vo-端分别与二极管D7x的阳极和D9x的阳极连接，电容C4x两端分别与Gnd端和Vo-端连接构成。
采用幅值稳定、相位相差180°、占空比略小于50％的高频脉冲vp+和vp来为各路驱动电路供电，电压可通过变压器匝比调节改变，直流电源可由高频脉冲整流得到，相对于采用DC/DC模块提供驱动电路所需+20V和-5V电压的方式，电路结构简单、体积小、成本低、可扩展性强。驱动电路所需-5V电压由变压器的独立绕组整流得到，相对于采用正脉冲电压经电阻在5V稳压管上形成的-5V电压，-5V电压的带载能力更强，效率更高。
控制电路采用TI公司TMS320F2812型号DSP产生驱动信号G1、G2……Gn,并对故障反馈信号F1、F……Fn进行处理。
本发明的原理为：方波交流电源产生两路幅值稳定、相位相差180°、占空比略小于50％、具有2A带载能力的120kHz高频脉冲vp+和vp-，通过直流稳压电源的输出电压为+13.5V来保证脉冲vp+和vp-的幅度稳定，通过双路PWM集成电路来产生相位相差180°、占空比略小于50％、频率为120kHz的高频驱动信号GA和GB来保证脉冲vp+和vp-的相位相差180°、占空比略小于50％，通过由Q1～Q4构成的全桥来提高脉冲vp+和vp-的带载能力；
控制电源用于产生控制电路及第1、2～n路驱动电路所需+5V隔离直流电，通过变压器T1实现隔离和输出电压调节，高频脉冲vp+和vp-经电容C1与变压器T1的初级绕组N1连接，电容C1用于防止变压器产生磁偏，变压器采用外径、内径和高分别为13mm、7mm和5mm的铁氧体磁环，变压器T1的绕组匝比N1：N2＝20：10，先将绕组N2沿磁环圆周方向均匀绕在磁环内侧，再将绕组N1沿磁环圆周方向均匀绕在磁环外侧，通过对N2的高频脉冲进行桥式整流实现交流至直流变换，再经电容C2进行平滑输出+5V直流；
驱动电源用于产生对应驱动电路所需+20Vx和-5Vx隔离直流电，通过变压器T1x实现隔离和输出电压调节，高频脉冲vp+和vp-经电容C2x与变压器T1x的初级绕组N1x连接，电容C2x用于防止变压器产生磁偏，变压器采用外径、内径和高分别为13mm、7mm和5mm的铁氧体磁环，变压器T1x的绕组匝比N1x：N2x：N3x＝20：32：10，先将绕组N3沿磁环圆周方向均匀绕在磁环内侧，再将绕组N2沿磁环圆周方向均匀绕在磁环中层，最后绕组N2沿磁环圆周方向均匀绕在磁环外层，通过对N2x的高频脉冲进行桥式整流实现交流至直流变换，再经电容C3x进行平滑输出+20Vx直流，通过对N3x的高频脉冲进行桥式整流实现交流至直流变换，再经电容C4x进行平滑输出-5Vx直流；
驱动电路产生SiC MOS管Vx所需高低电平分别为+20V和-5V驱动，且对SiC MOS管Vx进行过流保护，通过+20Vx经2.7V稳压管与+20V/-8V集成隔离驱动器x的Vco+输出供电正极端连接，避免输出供电正极电压为+20V/-8V集成隔离驱动器x可承受的极限电压，通过调节R2x和R3x的阻值来调节过流保护的阀值电压，通过R3x和C1x构成的滤波器来设置保护盲区，防止过流保护误触发，通过+20V/-8V集成隔离驱动器x来进行过流保护并实现驱动信号、故障反馈信号的隔离，通过35V集成驱动器x来提供高低电平分别为+20V和-5V、正负脉冲切换速度快和峰值电流高的驱动信号。
当采用共模电感的绕制方法，初级用磁芯的一半，次级用磁芯的一半时，次级测试波形如图6(a)所示。当按本专利所述方法先将次级均匀绕在内层，再将初级绕在外层时，次级测试波形如图6(b)所示。波形差别主要由于共模电感绕法漏感较大。共模电感绕法，会使输出电压在轻重载时差别过大。过大的波形尖峰将会导致驱动电源的负载调整率较差，因此，采用本专利所述的变压器磁芯绕制方法对于保证驱动电源的负载调整率较为重要。
由于1ED020I12FA2在Fi故障反馈输入端电压超过VTH＝9V时触发保护。故有
式中，VZ2x为稳压二极管Z2x两端电压，Vz2＝12V；VD2x为稳压二极管D1x两端电压，VD2x＝0.7V；Vcex为过流保护时漏源极电压。根据期望的保护漏源极电压Vcex，可按式(1)确定电阻R2x和R3x的阻值。通过在+20V/-8V集成隔离驱动器外围添加电路来使功率管的过流保护阀值电压可调，克服了常规集成隔离驱动器过流保护阀值电压不可调的不足。
按本专利所述装置及方法构成驱动电路，在驱动电阻为5Ω，SiC MOS管结电容为4.7nF时，驱动正脉冲和负脉冲的瞬态特性分别如图7(a)和图7(b)所示。由图7可知，驱动脉冲的上升时间和下降时间为50ns，具有良好的正负脉冲切换速度。
所提出的驱动电路可采用温度范围不窄于-40～+105℃的器件实现，可克服常规驱动模块可承受环境温度为-40～+80℃较窄，不能满足军用产品需求的不足。
Claims (4)
1.一种多路SiC MOS管驱动电路，其特征在于：包括方波交流电源、控制电源、控制电路、第1、2～n路驱动电路；所述方波交流电源正极vp+和负极vp-分别与控制电源和第1、2～n路驱动电路的正极vp+和负极vp+连接，控制电源输出端Vo+和接地端Gnd分别与控制电路的电源端Vcc和接地端Gnd、第1、2～n路驱动电路的+5V电源端和接地端Gnd连接，控制电路的驱动端G1、G2～Gn与第1、2～n路驱动电路的输入驱动端G1、G2～Gn连接，第1、2～n路驱动电路的故障反馈端F1、F2～Fn与控制电路的故障反馈端F1、F2～Fn连接，第1、2～n路驱动电路输出驱动端Go1、Go2～Gon输出驱动端分别与SiC MOS管V1、V2～Vn的栅极连接，SiC MOS管V1、V2～Vn的漏极分别与第1、2～n路驱动电路的故障检测端Vce1、Vce2～Vcen连接，SiC MOS管V1、V2～Vn的源极分别与第1、2～n路驱动电路接地端Gnd1、Gnd2～Gndn连接；
所述驱动电路包括驱动电源、集成隔离驱动器、集成驱动器，所述驱动电源的输出端正极Vo+分别与集成驱动器的供电正极Vcc、稳压管Z1x阴极、电阻R1x一端连接，电阻R1x另一端与稳压管Z2x的阴极连接，驱动电源的输出端负极Vo-分别与集成驱动器的供电参考地端Gnd、集成隔离驱动器的输出供电负极端Vco-连接，稳压管Z1x阳极与集成隔离驱动器的输出供电正极端Vco+输出连接，集成隔离驱动器的故障反馈输入端Fi经电阻R2x与稳压管Z2x阴极连接，集成隔离驱动器的故障反馈输入端Fi经电阻R3x与二极管D1x的阳极连接，集成隔离驱动器的驱动输出端Vo与集成驱动器的驱动输入端Vi连接；所述驱动电路的vp+和vp-端做为驱动电源的vp+和vp-端，集成隔离驱动器的输入供电正极端Vci、输入供电参考地端Gndi、输入驱动端Vi、故障反馈端Fo分别做为驱动电路的+5V电源端、Gnd接地端、输入驱动端Gx、故障反馈端Fx，二极管D1x的阴极为驱动电路的故障反馈端Vcex，集成驱动器的输出驱动端Vo与电阻Rgx连接后作为驱动电路的输出驱动端Gox，驱动电路的Gndx端分别与集成隔离驱动器的Gndo输出供电参考地端连接、经电容C1x与集成隔离驱动器的Fi故障反馈输入端连接、与稳压管Z2x阳极连接、与驱动电源的Gnd输出参考地端连接。
2.如权利要求1所述的多路SiC MOS管驱动电路，其特征在于：所述方波交流电源包括直流稳压电源、双路PWM集成电路、反向驱动电路1、反向驱动电路2、N沟道MOS管Q2和MOS管Q4、P沟道MOS管Q1和MOS管Q3，所述直流稳压电源的正极分别与双路PWM集成电路的供电正极端Vcc、反向驱动电路1的供电正极端Vcc、反向驱动电路2的供电正极端连接Vcc、MOS管Q1的源极、MOS管Q3的源极连接，直流稳压电源的参考地端分别与双路PWM集成电路的供电参考端Gnd、反向驱动电路1的供电参考端Gnd、反向驱动电路2的供电参考端Gnd、MOS管Q2的源极、MOS管Q4的源极连接，双路PWM集成电路的驱动端GA分别与反向驱动电路1的驱动输入端Vi、电阻R2一端连接，电阻R2另一端与MOS管Q2的栅极连接，双路PWM集成电路的驱动端GB分别与反向驱动电路2的驱动输入端Vi、电阻R4一端连接，电阻R4另一端与MOS管Q4的栅极连接，反向驱动电路1的驱动输出端Vo经电阻R3与MOS管Q3的栅极连接，反向驱动电路2的驱动输出端Vo经电阻R1与MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的漏极和MOS管Q2的漏极连接后共同作为方波交流电源的vp+端，Q3的漏极和Q4的漏极连接后共同作为方波交流电源的vp-端。
3.如权利要求1所述的多路SiC MOS管驱动电路，其特征在于：所述控制电源包括其vp+端、vp-端、输出端Vo+、接地端Gnd、变压器T1、二极管D1～D4、电容C1和C2，所述vp+端经电容C1与变压器T1初级绕组N1的一端连接，vp-端与变压器T1初级绕组N1的另一端连接，变压器T1次级绕组N2的一端分别与二极管D1的阳极和D2的阴极连接，变压器T1次级绕组N2的另一端分别与二极管D3的阳极和D4的阴极连接，Vo+端分别与二极管D1的阴极和D3的阴极连接，Gnd端分别与二极管D2的阳极和D4的阳极连接，电容C2两端分别与输出端Vo+和接地端Gnd连接。
4.如权利要求2所述的多路SiC MOS管驱动电路，其特征在于：所述驱动电源包括其vp+端、vp-端、Vo+端、Gnd端、Vo-端、变压器T1x、二极管D2x～D9x、电容C2x～C4x，是由vp+端经电容C2x与变压器T1x初级绕组N1x的一端连接，vp-端与变压器T1x初级绕组N1x的另一端连接，变压器T1x次级绕组N2x的一端分别与二极管D2x的阳极和二极管D3x的阴极连接，变压器T1x次级绕组N2x的另一端分别与二极管D4x的阳极和二极管D5x的阴极连接，Vo+端分别与二极管D2x的阴极和D4x的阴极连接，所述Gnd端分别与二极管D3x的阳极和D5x的阳极连接，电容C3x两端分别与Vo+端和Gnd端连接，变压器T1x次级绕组N3x的一端分别与二极管D6x的阳极和二极管D7x的阴极连接，变压器T1x次级绕组N3x的另一端分别与二极管D8x的阳极和二极管D9x的阴极连接，Gnd端分别与二极管D6x的阴极和二极管D8x的阴极连接，Vo-端分别与二极管D7x的阳极和D9x的阳极连接，电容C4x两端分别与Gnd端和Vo-端连接。
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