CN108988617A - 一种主动抑制SiC MOSFET串扰现象的驱动电路及电路改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种主动抑制SiC MOSFET串扰现象的驱动电路及电路改进方法，属于电路设计技术领域。所述驱动电路及电路改进方法针对米勒电流经驱动回路的过程，在串扰现象发生时，利用辅助三极管的导通主动将额外的辅助电容并联在SiC MOSFET的栅源极之间，同时利用辅助二极管将额外辅助电阻并联在驱动电阻上，从而在串扰现象发生时对其进行抑制。

Description

一种主动抑制SiC MOSFET串扰现象的驱动电路及电路改进 方法

技术领域

本发明涉及一种主动抑制SiC MOSFET串扰现象的驱动电路及电路改进方法，属于电路设计技术领域。

背景技术

SiC MOSFET具有开关频率高、导通电阻小、耐高温高压性能好等优点，可以有效弥补传统的Si功率器件在上述方面的局限性，将SiC MOSFET应用在各种电力电子装置中，可以降低装置的开关管损耗，减小装置的重量和体积，从而有效提高电力电子装置的效率和功率密度，对于电力电子技术的发展具有重要的意义。但是SiC MOSFET相比于Si MOSFET和Si IGBT来说，由于其开启电压很低，在将SiC MOSFET应用在具有桥臂结构的拓扑中时，由于米勒电容的存在，在桥臂上的一个开关管开通过程中，会在桥臂上的另一个开关管的栅源极之间产生电压尖峰。这一电压尖峰若超过SiC MOSFET的开启电压，会造成开关管误导通，进而增大开关损耗，严重时还会造成桥臂直通，烧毁电路。因此，从改进其驱动电路的角度进行串扰抑制有很大的必要性。

目前主流的减小串扰电压的途径有以下几种：(1)减小驱动电阻。通过对串扰电压进行定性分析，可得出串扰电压与驱动电阻的关系，即串扰电压随驱动电阻的增大而增大。因此，减小驱动电阻可以在一定程度上减小串扰电压，但此方法抑制效果有限，而且减小驱动电阻会加剧SiC MOSFET的开关振荡现象。(2)增大栅源极电容。当米勒电流流经驱动回路时，在栅源极之间并联的额外电容可以为米勒电流承担一部分分流，从而使流经驱动回路的电流减小，栅源极之间串扰电压的最大值减小。同样，增大栅源极电容可以减小SiCMOSFET的开关振荡现象，但是增大栅源极电容是以牺牲SiC MOSFET的开关速度为代价的。由于栅源极电容增大，开通和关断的瞬态时间增大，不仅减小了开关速度也会增大开关损耗。(3)增大栅极的关断负偏压。SiC MOSFET采用负压关断，增大负关断电压相当于增大了开关管的开通电压阈值，可以减小串扰电压的影响。但是SiC MOSFET能承受的负向偏压有限，增大关断负偏压会在关断瞬间进一步增大栅源极之间负向电压，使SiC MOSFET工作的可靠性受到影响。因此无法较大范围减小SiC MOSFET栅极关断负偏压，只能在很小的范围内对电压进行调整，所以此方法也具有局限性。

发明内容

本发明为了解决现有减小串扰电压的方法无法实现减小串扰电压的有效抑制的问题，提出了一种主动抑制SiC MOSFET串扰现象的驱动电路及电路改进方法。

一种主动抑制SiC MOSFET串扰现象的驱动电路改进方法，所采取的技术方案如下：

所述改进方法针对米勒电流经驱动回路的过程，在串扰现象发生时，利用辅助三极管的导通主动将额外的辅助电容并联在SiC MOSFET的栅源极之间，同时利用辅助二极管将额外辅助电阻并联在驱动电阻上，从而在串扰现象发生时对其进行抑制。

一种主动抑制SiC MOSFET串扰现象的驱动电路，所采取的技术方案如下：

所述电路结构包括上管驱动回路和下管驱动回路；所述上管驱动回路PWM驱动信号、上管驱动电路和上管S₁；在所述上管驱动电路的一端串联有SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on1，在所述SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on1的两端并联有辅助二极管VD₁，并且，所述辅助二极管VD₁与驱动回路辅助电阻R_off1串联后再与R_on1并联；所述所述SiCMOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on1与电阻R_c1串联，所述电阻R_c1为并联在PNP三极管VT₁基极与发射极之间的电阻；在VT₁集电极与SiC MOSFET源极之间并联有辅助电容C_gsa1；

所述下管驱动回路PWM驱动信号、下管驱动电路和下管S₂；在所述下管驱动电路的一端串联有SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on2，在所述SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on2的两端并联有辅助二极管VD₂，并且，所述辅助二极管VD₂与驱动回路辅助电阻R_off2串联后再与R_on2并联；所述所述SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on2与电阻R_c2串联，所述电阻R_c2为并联在PNP三极管VT₂基极与发射极之间的电阻；在VT₂集电极与SiC MOSFET源极之间并联有辅助电容C_gsa2。

进一步地，所述驱动电路的串扰发生时串扰电压的最大值V_{gs_max}为：

并且串扰电压最大值的极限值为：

其中，C_gs为栅源极结电容，C_gd为栅漏极结电容，V_cc为母线电压，dv/dt为下管漏源极之间的电压变化率。

进一步地，所述驱动电路的对串扰现象抑制过程包括：

在一个半桥上的两个开关管工作的过程中，当上管S₁开通、下管S₂关断时，流经上管驱动回路的电流i_g1为顺时针方向，二极管VD₁关断，电阻R_off1不接入回路；流经上管驱动回路的电流i_g1作用在电阻R_c1上，三极管基极的电压高于发射极的电压，此时，三极管基极的电压使PNP三极管VT₁处于截止状态；当PNP三极管VT₁处于截止状态时，电阻R_c1接入上管回路中而额外的辅助电容C_gsa1未接入栅源极之间，此时上管驱动回路的驱动电阻增大对上管S₁的电压振荡进行抑制；

在此过程中，通过米勒电容产生的米勒电流耦合到驱动回路中的电流i_g2为逆时针方向，所述电流i_g2作用在电阻R_c2上，当压降i_g2·R_c2超过三极管VT₂的开启电压时，VT₂导通，此时额外的辅助电容C_gsa2接入SiC MOSFET S₂的栅源极之间，而电阻R_c2也因三极管的基极和发射极短接而不再接入电路中；此时，对于二极管VD₂，由于电流为逆时针方向，VD₂导通，电阻R_off2并联在R_on2两端，此时增大了栅源极电容，也减小了驱动电阻，从而在串扰发生时起到了主动抑制作用。

本发明有益效果：

本发明提出一种抑制桥臂串扰现象的SiC MOSFET的驱动电路及电路改进方法，不是简单地减小栅极驱动电阻和增大栅源极电容，而是利用米勒电流流经驱动回路这一过程，在串扰现象发生时，利用辅助三极管的导通主动将额外的辅助电容并联在SiC MOSFET的栅源极之间，同时利用辅助二极管可将额外辅助电阻并联在驱动电阻上，从而在串扰现象发生时对其进行抑制。所改进驱动电路结构在不增大栅极负偏压的基础上，当串扰现象发生时可增大栅源极电容并减小栅极驱动电阻，从而实现串扰现象的主动抑制。而在不发生串扰现象时，可有效保障SiC MOSFET的开关速度，同时避免其发生较为剧烈的开关振荡，可有针对性地、高效地实现串扰现象的抑制。

附图说明

图1为本发明所述抑制串扰现象的驱动电路结构。

图2为上管开通过程中上管等效驱动回路。

图3为上管开通过程中下管等效驱动回路。

图4为Buck-Boost型双向DC/DC变换电路。

图5普通结构的串扰电压波形。

图6引入本发明之后的串扰电压波形。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

一种主动抑制SiC MOSFET串扰现象的驱动电路改进方法，所采取的技术方案如下：

所述驱动改进方法针对米勒电力流经驱动回路的过程，在串扰现象发生时，利用辅助三极管的导通主动将额外的辅助电容并联在SiC MOSFET的栅源极之间，同时利用辅助二极管将额外辅助电阻并联在驱动电阻上，从而在串扰现象发生时对其进行抑制。

本实施例提出的驱动电路改进方法并不是简单地减小栅极驱动电阻和增大栅源极电容，而是通过外加辅助元器件的方式实现串扰现象的抑制，并且基于上述驱动电路改进方法能够在不增大驱动电路栅极负偏压的基础上，当串扰现象发生时可增大栅源极电容并减小栅极驱动电阻，从而实现串扰现象的主动抑制。而在不发生串扰现象时，可有效保障SiC MOSFET的开关速度，同时避免其发生较为剧烈的开关振荡，可有针对性地、高效地实现串扰现象的抑制。

实施例2

一种主动抑制SiC MOSFET串扰现象的驱动电路，如图1所示，所采取的技术方案如下：

所述电路结构包括上管驱动回路和下管驱动回路；所述上管驱动回路PWM驱动信号、上管驱动电路和上管S₁；在所述上管驱动电路的一端串联有SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on1，在所述SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on1的两端并联有辅助二极管VD₁，并且，所述辅助二极管VD₁与驱动回路辅助电阻R_off1串联后再与R_on1并联；所述所述SiCMOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on1与电阻R_c1串联，所述电阻R_c1为并联在PNP三极管VT₁基极与发射极之间的电阻；在VT₁集电极与SiC MOSFET源极之间并联有辅助电容C_gsa1；

所述下管驱动回路PWM驱动信号、下管驱动电路和下管S₂；在所述下管驱动电路的一端串联有SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on2，在所述SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on2的两端并联有辅助二极管VD₂，并且，所述辅助二极管VD₂与驱动回路辅助电阻R_off2串联后再与R_on2并联；所述所述SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on2与电阻R_c2串联，所述电阻R_c2为并联在PNP三极管VT₂基极与发射极之间的电阻；在VT₂集电极与SiC MOSFET源极之间并联有辅助电容C_gsa2。

其中，所述上管S₁和下管S₂均采用C3M0065090D型号的SiC MOSFET晶体管。

所述驱动电路的串扰发生时串扰电压的最大值V_{gs_max}为：

并且串扰电压最大值的极限值为：

其中，C_gs为栅源极结电容，C_gd为栅漏极结电容，V_cc为母线电压，dv/dt为下管漏源极之间的电压变化率。

而对于普通结构的驱动电路，串扰发生时串扰电压的最大值V_{gs_max}可以表示为：

其中C_gs为栅源极结电容，C_gd为栅漏极结电容，V_cc为母线电压，dv/dt为下管漏源极之间的电压变化率；其串扰电压最大值的极限值为：

通过本实施例改进后的驱动电路结构和传统驱动电路结构的串扰电压的最大值和串扰电压最大值的极限值的比较可以看出，本实施例针对SiC MOSFET组成的桥式拓扑，可以在桥臂串扰现象发生的时候，减小驱动电阻，增大栅源极电容，从而使桥臂串扰问题得到改善。

所述驱动电路的对串扰现象抑制过程包括：

在一个半桥上的两个开关管工作的过程中，当上管S₁开通、下管S₂关断时，流经上管驱动回路的电流i_g1为顺时针方向，二极管VD₁关断，电阻R_off1不接入回路；流经上管驱动回路的电流i_g1作用在电阻R_c1上，三极管基极的电压高于发射极的电压，此时，三极管基极的电压使PNP三极管VT₁处于截止状态；当PNP三极管VT₁处于截止状态时，电阻R_c1接入上管回路中而额外的辅助电容C_gsa1未接入栅源极之间，对应的上管S₁等效驱动电路如图2所示，此时上管驱动回路的驱动电阻增大对上管S₁的电压振荡进行抑制；

在此过程中，对应的下管S₂等效驱动电路如图3所示，通过米勒电容产生的米勒电流耦合到驱动回路中的电流i_g2为逆时针方向，所述电流i_g2作用在电阻R_c2上，当压降i_g2·R_c2超过三极管VT₂的开启电压时，VT₂导通，此时额外的辅助电容C_gsa2接入SiC MOSFET S₂的栅源极之间，而电阻R_c2也因三极管的基极和发射极短接而不再接入电路中；此时，对于二极管VD₂，由于电流为逆时针方向，VD₂导通，电阻R_off2并联在R_on2两端，此时增大了栅源极电容，也减小了驱动电阻，从而在串扰发生时起到了主动抑制作用。

本实施例提出一种抑制桥臂串扰现象的SiC MOSFET改进式驱动电路，不是简单地减小栅极驱动电阻和增大栅源极电容，而是利用米勒电流流经驱动回路这一过程，在串扰现象发生时，利用辅助三极管的导通主动将额外的辅助电容并联在SiC MOSFET的栅源极之间，同时利用辅助二极管可将额外辅助电阻并联在驱动电阻上，从而在串扰现象发生时对其进行抑制。所提出的驱动电路的结构如图1所示，所改进驱动电路结构在不增大栅极负偏压的基础上，当串扰现象发生时可增大栅源极电容并减小栅极驱动电阻，从而实现串扰现象的主动抑制。而在不发生串扰现象时，可有效保障SiC MOSFET的开关速度，同时避免其发生较为剧烈的开关振荡，可有针对性地、高效地实现串扰现象的抑制。

为了验证本发明方法的实用性，搭建了如图4所示的具有半桥结构的Buck-Boost型双向DC/DC变换电路，对该变换电路进行电压采样、PI闭环控制以及PWM信号的生成与输出。Buck-Boost电路中开关管采用CREE公司的C3M0065090D型号的SiC MOSFET，并通过实验方式对其串扰电压进行了实际采集与记录。

当电路工作在Buck状态时，一次侧的直流母线电压U₁为400V时，对上管的栅极输入高电平为+15V、低电平为-4V的频率为50kHz的PWM信号，在上管开通的过程，用示波器对下管栅源极之间的电压进行测试。对于普通结构的驱动电路，当驱动电阻取值为28Ω时，下管栅源极电压的波形如图5所示。

在驱动电阻为28Ω(其中R_on＝10Ω，R_c＝18Ω)的条件下，引入所提出的优化设计的方案，其中二极管支路串联的电阻R_off为4.7Ω，三极管的集电极相连的电容C_{gs_ex}为3nF，测试结果如图6所示。

从实验结果可以看出，在上管开通的瞬间，通过米勒电流耦合到下管驱动回路的电流最大值为0.1153A，由于三极管基极和发射极之间的电阻为18Ω，三极管基极和发射极之间的电压大约为2V，因此三极管确保导通，3nF的电容并联接入栅源极之间。由于三极管导通，基极和发射极之间的电阻R_c将不再接入驱动回路，又因为VD导通，因此电阻R_off并联在R_on之间，此时等效驱动电阻变为约3.2Ω，大大减小了驱动电阻。因此采用本发明后，在串扰现象发生的瞬间，驱动电路可主动增大栅源极之间的等效电容，减小栅极的驱动电阻，从而实现了串扰的有效抑制。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种主动抑制SiC MOSFET串扰现象的驱动电路改进方法，其特征在于，所述改进方法针对米勒电流经驱动回路的过程，在串扰现象发生时，利用辅助三极管的导通主动将额外的辅助电容并联在SiC MOSFET的栅源极之间，同时利用辅助二极管将额外辅助电阻并联在驱动电阻上，从而在串扰现象发生时对其进行抑制。

2.一种主动抑制SiC MOSFET串扰现象的驱动电路，其特征在于，所述电路结构包括上管驱动回路和下管驱动回路；所述上管驱动回路PWM驱动信号、上管驱动电路和上管S₁；在所述上管驱动电路的一端串联有SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on1，在所述SiCMOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on1的两端并联有辅助二极管VD₁，并且，所述辅助二极管VD₁与驱动回路辅助电阻R_off1串联后再与R_on1并联；所述所述SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on1与电阻R_c1串联，所述电阻R_c1为并联在PNP三极管VT₁基极与发射极之间的电阻；在VT₁集电极与SiC MOSFET源极之间并联有辅助电容C_gsa1；

所述下管驱动回路PWM驱动信号、下管驱动电路和下管S₂；在所述下管驱动电路的一端串联有SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on2，在所述SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on2的两端并联有辅助二极管VD₂，并且，所述辅助二极管VD₂与驱动回路辅助电阻R_off2串联后再与R_on2并联；所述所述SiC MOSFET驱动回路栅极限流电阻R_on2与电阻R_c2串联，所述电阻R_c2为并联在PNP三极管VT₂基极与发射极之间的电阻；在VT₂集电极与SiCMOSFET源极之间并联有辅助电容C_gsa2。

3.根据权利要求2所述驱动电路，其特征在于，所述上管S₁和下管S₂均采用C3M0065090D型号的SiC MOSFET晶体管。

4.根据权利要求2所述驱动电路，其特征在于，所述驱动电路的串扰发生时串扰电压的最大值V_{gs_max}为：

并且串扰电压最大值的极限值为：

其中，C_gs为栅源极结电容，C_gd为栅漏极结电容，V_cc为母线电压，dv/dt为下管漏源极之间的电压变化率。

5.根据权利要求2所述驱动电路，其特征在于，所述驱动电路的对串扰现象抑制过程包括：在一个半桥上的两个开关管工作的过程中，当上管S₁开通、下管S₂关断时，流经上管驱动回路的电流i_g1为顺时针方向，二极管VD₁关断，电阻R_off1不接入回路；流经上管驱动回路的电流i_g1作用在电阻R_c1上，三极管基极的电压高于发射极的电压，此时，三极管基极的电压使PNP三极管VT₁处于截止状态；当PNP三极管VT₁处于截止状态时，电阻R_c1接入上管回路中而额外的辅助电容C_gsa1未接入栅源极之间，此时上管驱动回路的驱动电阻增大对上管S₁的电压振荡进行抑制；

在此过程中，通过米勒电容产生的米勒电流耦合到驱动回路中的电流i_g2为逆时针方向，所述电流i_g2作用在电阻R_c2上，当压降i_g2·R_c2超过三极管VT₂的开启电压时，VT₂导通，此时额外的辅助电容C_gsa2接入SiC MOSFET S₂的栅源极之间，而电阻R_c2也因三极管的基极和发射极短接而不再接入电路中；此时，对于二极管VD₂，由于电流为逆时针方向，VD₂导通，电阻R_off2并联在R_on2两端，此时增大了栅源极电容，也减小了驱动电阻，从而在串扰发生时起到了主动抑制作用。