CN109327212A - 一种SiC MOSFET的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电路控制技术领域，尤其涉及一种SiC MOSFET的驱动电路。该电路包括开关电源模块、逻辑控制模块和驱动及保护模块；开关电源模块中将开关频率产生电路和反馈电路内置于驱动芯片U1中，开关电源模块用于接收外部输入的电压，并输出SiC MOSFET驱动所需的非常规电压；逻辑控制模块用于完成对所述开关电源模块中驱动芯片U1的设置及状态的监测；驱动及保护模块用于完成SiC MOSFET的驱动，以及对驱动芯片U1和SiC MOSFET的保护。该电路将开关频率产生电路和反馈电路内置于驱动芯片中，分布干扰大大降低，电路结构简单，从而降低了成本，提高了可靠性，抑制了SiC MOSFET的误开通。

Description

一种SiC MOSFET的驱动电路
技术领域
本发明属于电路控制技术领域，尤其涉及一种SiC MOSFET的驱动电路。
背景技术
SiC材料作为一种新型的材料，具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率高等优秀的物理化学性质，人们通过使用SiC材料的功率器件，能够大幅提高器件的开关速度，降低装置的功耗，缩小装置的体积。SiC MOSFET，作为目前SiC材料主流功率器件，在电力电子领域得到了广泛的关注。
然而，SiC MOSFET的栅极阈值电压比普通Si MOSFET更低，通常只有2V左右，更容易开通，在外部有扰动信号的情况下，容易误开通；另一方面，SiC MOSFET的正常工作电压在18V～20V，普通Si MOSFET的正常工作电压在15V左右，因此更大的dv/dt极易导致栅极发热损坏，可靠性降低。因此SiC MOSFET需要采用负电压进行驱动，抑制误导通。但是如果在使用负电压的过程中增加了杂散干扰，那么采用负电压的效果也不会很好。
由于SiC MOSFET驱动所需要的电压不是常规诸如±5V，±12V，15V或24V电压等，目前要么通过在常规电压基础上再增加一级电压变换模块来实现，要么采用开关电源直接输出多路电压来实现。
通过在常规电压基础上增加一级变换电路来实现SiC MOSFET驱动所需要的负电压，其电源结构复杂，尤其在需要进行隔离多路驱动的情况下，不但电路结构复杂，而且成本高。
通过采用开关电源输出多路电压实现负电压是一个经济的方案，但是实现开关电源电路本身所需的分立元件较多，过多的分立元件将不可避免增加一些分布干扰，这些分布干扰将会对SiC MOSFET造成误开通，反而不利于SiC MOSFET的驱动，尤其是开关电源电路中，开关频率产生电路、反馈电路等关键电路受外部电路环境影响大，在稳定性和可靠性不能完全保证的情况下，此类开关电源不适合作为SiC MOSFET的驱动电源。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种SiC MOSFET的驱动电路，该电路将开关频率产生电路和反馈电路内置于驱动芯片中，通过该电路的应用，分布干扰大大降低，尤其在隔离多路驱动的情况下，电路结构简单，从而降低了成本，提高了可靠性，抑制了SiCMOSFET的误开通。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种SiC MOSFET的驱动电路，包括开关电源模块、逻辑控制模块和驱动及保护模块；
所述开关电源模块中将开关频率产生电路和反馈电路内置于驱动芯片U1中，所述开关电源模块用于接收外部输入的电压，通过开关变压器和开关管的动作，输出SiCMOSFET驱动所需的非常规电压；
所述逻辑控制模块用于完成对所述开关电源模块中驱动芯片U1的设置及状态的监测；
所述驱动及保护模块用于完成SiC MOSFET的驱动，以及对驱动芯片U1和SiCMOSFET的保护。
进一步地，所述开关电源模块中，驱动芯片U1包括引脚FB，引脚FB用于监测过电压和低电压，当引脚FB监测到过电压或低电压时，驱动芯片U1立即输出关闭开关管的信号到引脚FET_G，立即关闭开关管Q1的输出。
进一步地，所述开关电源模块中，驱动芯片U1包括引脚SENSE，引脚SENSE用于监测过电流，当引脚SENSE监测到过电流时，驱动芯片U1立即输出关闭开关管的信号到引脚FET_G，立即关闭开关管Q1的输出。
进一步地，所述驱动芯片U1中的引脚FLT与所述逻辑控制模块连接，当驱动芯片U1发生热故障时，引脚FLT将输出低电平，否则为高阻态。
进一步地，所述驱动芯片U1中的引脚MODE与所述驱动及保护模块连接，引脚MODE用于设置低电压锁存功能电压的来源；
如果为低电平，则选择引脚UVLOIN的电压源；
如果为高电平，则选择引脚VCC2的电压源。
进一步地，所述驱动芯片U1中的引脚DESAT与所述驱动及保护模块连接，当SiCMOSFET导通电压超过饱和电压时，引脚DESAT用于监测SiC MOSFET源极和漏极之间的压降。
进一步地，所述驱动及保护模块中包括引脚PROOUT，当引脚DESAT监测到SiCMOSFET饱和电压异常时，可以通过引脚PROOUT输出电压信号直接关断SiC MOSFET。
进一步地，所述驱动芯片U1中的引脚OUT1L和引脚OUT1H与所述驱动及保护模块连接，引脚OUT1L和引脚OUT1H用于输出驱动信号，驱动SiC MOSFET；
当引脚OUT1L和引脚OUT1H输出的信号为高电平时，驱动信号经过由电阻R29、三极管Q2，电阻R31组成的功率放大电路，再经过三并联的栅极电阻R33、R34、R35，之后送入SiCMOSFET的栅极，完成SiC MOSFET的驱动；
当引脚OUT1L和引脚OUT1H输出的信号为低电平时，驱动信号经过由电阻R30、三极管Q3，电阻R32组成的功率放大电路，再经过三并联的栅极电阻R36、R37、R38，之后送入SiCMOSFET的栅极，完成SiC MOSFET的驱动。
进一步地，所述驱动芯片U1中的引脚VTSIN与所述驱动及保护模块连接，引脚VTSIN用于监测驱动芯片U1的温度，外部温度传感器电压信号通过引脚VTSIN输入到驱动芯片U1内部，当温度超过一定温度时，驱动芯片U1内部温度保护功能将被激活，同时关闭引脚OUT1L和引脚OUT1H的输出。
进一步地，所述驱动芯片U1中的引脚OUT2与所述驱动及保护模块连接，引脚OUT2经由电阻R39，三极管Q4直接连接至SiC MOSFET的栅极。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的SiC MOSFET驱动电路，将开关电源中的开关频率产生电路、电压电流反馈电路等电路集成到驱动芯片内部，外部辅以外围电路及开关变压器，通过设计外部电路以及开关变压器的参数，从而可以灵活提供SiC MOSFET驱动所需的非常规电压，抑制了SiC MOSFET的误开通，具有稳定性好，可靠性高，电路结构简单，成本低廉等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的结构框图；
图2为本发明实施例中开关电源模块电路图；
图3为本发明实施例中逻辑控制模块电路图；
图4为本发明实施例中驱动及保护模块电路图；
图5为本发明实施例的整体电路图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1所示，为本发明SiC MOSFET驱动电路的结构框图。该电路包括开关电源模块、逻辑控制模块、驱动及保护模块。开关电源模块用于接收外部输入的电压，通过开关变压器和开关管的动作，输出SiC MOSFET驱动所需的非常规电压。逻辑控制模块用于完成对开关电源模块中驱动芯片U1的设置及状态控制，包括输出逻辑设置、状态监测及控制。驱动及保护模块用于完成SiC MOSFET的驱动、保护以及供电电路过压、欠压、低温监测。
如图2所示，开关电源模块电路包括电容C1、C8～C13、C17～C20、电阻R10～R19、R26、二极管D1～D4、开关管Q1、开关变压器T1和MOSFET驱动芯片U1。外部电源通过VDD以及GND接入，接入电压范围可变，VDD可输入直流电压最大可到40V，GND为参考地电位。外部输入电源经过电容C1滤波后直接输入到MOSFET驱动芯片U1。其中，MOSFET驱动芯片U1为ROHM公司的MOSFET驱动芯片BM60052。
MOSFET驱动芯片U1具备两部分功能：一方面可以对MOSFET进行驱动及相关保护；另一方面，接收外部电源输入，辅以外部电路，提供SiC MOSFET驱动所需非常规电源。其具体介绍如下：
供电电源输入引脚V_BATT、GND1：引脚V_BATT、GND1分别直接与供电电源输入端VDD、参考地电位GND连接，其中，VDD可以输入最大直流电压为40V。
驱动芯片内部电源引脚VREG：引脚VREG通过电容C10连接到参考地电位GND，防止开关频率出现大的波动和旁路开关管频繁开关可能引起的振荡电压。
开关频率设置引脚RT：引脚RT通过电阻R10连接到参考地电位GND，用于设置开关频率。其中，开关频率的大小通过下式计算。
FSW[kHz]＝1/(7.3×10-8×RRT+2.2×10-4)
电压监测反馈引脚FB：引脚FB通过电阻R11连接到参考地电位GND，用于监测过电压和低电压，当监测到过电压或低电压时，MOSFET驱动芯片U1立即输出关闭开关管的信号到引脚FET_G，立即关闭开关管Q1的输出。开关变压器T1的原边下方绕组监测次边绕组的电压，经过二极管D2整流，电容C13滤波，以及负载电阻R16之后，通过电阻R14和R13接入到反馈引脚FB。
增益控制引脚COMP：引脚COMP通过电阻R12和电容C8连接到参考地电位GND；同时通过滤波电容C9连接到参考地电位GND，用于控制开关电源的增益补偿。
开关管控制引脚FET_G：引脚FET_G通过电阻R15连接到开关管Q1的栅极，用于控制开关电源开关管的开通和关闭。
电流检测反馈引脚SENSE：引脚SENSE通过采样电阻R19和输入电阻R18连接到开关管Q1的源极，用于监测电流；同时通过滤波电容C11连接到参考地电位GND。当引脚SENSE监测到过电流时，MOSFET驱动芯片U1立即输出关闭开关管的信号到引脚FET_G，立即关闭开关管Q1的输出。
开关变压器T1的连接的信号如下：
开关变压器T1初级有两个绕组，上部为输入绕组，下部为反馈绕组，次级有一个输出绕组。输入绕组的一端接至供电电源输入端VDD和引脚，另一端接至开关管Q1的漏极，开关管Q1的源极通过电流采样电阻R19接至参考地电位GND。电阻R17、电容C12和二极管D1形成扰动吸收及缓冲电路，接至输入绕组的两端，形成对输入绕组的保护。
反馈绕组的电压信号经过二极管D2整流、电容C13滤波和负载电阻R16后接至电压监测反馈引脚FB。
输出绕组包括中间抽头，中间抽头输出为次级地电位GND2。输出绕组正端经过二极管D3、滤波电容C17、C19和负载电阻R26后，输出SiC MOSFET驱动所需的正电压VCC，一般为18V～20V；输出绕组负端经过二极管D4、滤波电容C18、C20后，输出SiC MOSFET驱动所需的负电压VEE，一般为-5V～-2V。优选地，所需驱动电压大小以及反馈电压大小可以通过开关变压器T1绕组比来灵活调整。
如图3所示，逻辑控制模块电路包括电阻R1～R9，电容C2～C7和MOSFET驱动芯片U1。逻辑控制模块完成MOSFET驱动芯片U1工作的所需要的设置和状态的监测。
MOSFET驱动芯片U1与逻辑控制模块相关的引脚如下：
供电电源输入引脚V_BATT、GND1：引脚V_BATT、GND1分别直接与供电电源输入端VDD、参考地电位GND连接，供电电源输入端VDD和参考地电位GND之间跨接电容C7。
逻辑控制引脚ENA、INA、INB：引脚ENA、INA、INB分别通过滤波电容C4、C5、C6连接到参考地电位GND，同时分别通过电阻R3、R4、R5连接到外部控制接口，用于决定输出逻辑。
具体逻辑如下：
ENA INB INA OUT1H OUT1L
L × × Hi-Z L
H H × Hi-Z L
H L L Hi-Z L
H L H H Hi-Z
其中，L代表低电平；H代表高电平；Hi-Z代表高阻态；×代表无关。
错误状态输出引脚FLT：引脚FLT通过电阻R8连接至引脚VREG，同时经过电阻R2、电阻R1后连接至外部控制接口，电阻R1和电阻R2相联处连接电容C3至参考地电位GND。若MOSFET驱动芯片U1发生热故障，引脚FLT将输出低电平，否则为高阻态。
工作状态输出引脚RDY：引脚RDY通过电阻R9连接至引脚VREG，同时经过电阻R7、电阻R6后连接至外部控制接口，电阻R6和电阻R7相联处连接电容C2至参考地电位GND。引脚RDY监测引脚V_BATT的低电压锁存功能、引脚VCC2的低电压锁存功能和引脚FB的电压反馈功能是否正常，若有其一不正常，引脚RDY将输出低电平，否则为高阻态。
如图4所示，驱动及保护模块电路包括电阻R20～R25、R27～R41，电容C14～C16、二极管D5～D9和三极管Q2～Q4。驱动及保护模块电路完成对SiC MOSFET的驱动，对MOSFET驱动芯片U1和SiC MOSFET的保护。
MOSFET驱动芯片U1与驱动及保护模块相关的引脚如下：
驱动正电源引脚VCC2、驱动负电源引脚VEE2、驱动电源地GND2：提供SiC MOSFET驱动所需的正电源和负电源。引脚VCC2通过电容C14连接到驱动电源地GND2，引脚VEE2通过电容C15连接到驱动电源地GND2。两个引脚NC直接连接到驱动电源地GND2。
低电压锁存模式设置引脚MODE：引脚MODE通过电阻R23连接到驱动电源地GND2，同时通过电阻R24连接到驱动正电源引脚VCC2，用来设置低电压锁存功能电压的来源。如果为低电平，则选择引脚UVLOIN的电压源，如果为高电平，则选择引脚VCC2的电压源。
低电压锁存模式电压大小设置引脚UVLOIN：引脚UVLOIN通过电阻R22连接到驱动电源地GND2，同时通过电阻R21连接到驱动正电源引脚VCC2。当低电压锁存模式设置为来自引脚UVLOIN的电压源时，UVLOIN引脚的电压大小通过外部电阻R21和电阻R22的分压来设置。
SiC MOSFET饱和电压监测引脚DESAT：当SiC MOSFET导通电压超过饱和电压时，说明SiC MOSFET工作为异常状态，引脚DESAT用于监测SiC MOSFET源极和漏极之间的压降，当MOSFET驱动芯片U1监测到异常时，则关闭引脚OUT1L和引脚OUT1H的输出。SiC MOSFET的漏极经过高压二极管D9、高压二极管D8、电阻R27，直接接入引脚DESAT，在引脚DESAT与驱动电源地GND2之间跨接二极管D7、二极管D6，用于对引脚DESAT的电压进行钳位保护，同时引脚DESAT通过电容C16直接连接到驱动电源地GND2。
温度监测引脚VTSIN：引脚VTSIN用于监测MOSFET驱动芯片U1的温度，外部温度传感器电压信号可以通过引脚VTSIN输入到驱动芯片内部，当温度超过一定温度时，MOSFET驱动芯片U1内部温度保护功能将被激活，同时关闭引脚OUT1L和引脚OUT1H的输出。引脚VTSIN通过电阻R25直接连接至VCC2，关闭MOSFET驱动芯片U1内部温度保护功能。
软关断功能引脚PROUT：引脚PROUT通过电阻R28直接连接到SiC MOSFET的栅极，用于监测SiC MOSFET的栅极电压大小。当SiC MOSFET饱和电压监测引脚DESAT监测到异常时，可以通过引脚PROUT输出电压信号直接关断SiC MOSFET。
输出引脚OUT1L、OUT1H：引脚OUT1L、OUT1H输出驱动信号，用于驱动SiC MOSFET，同时通过二极管D5、电阻R20连接至饱和电压监测引脚DESAT。当引脚OUT1L、OUT1H输出的信号为高电平时，驱动信号经过由电阻R29、三极管Q2，电阻R31组成的功率放大电路，再经过三并联的栅极电阻R33、R34、R35，之后送入SiC MOSFET的栅极，完成SiC MOSFET的驱动；当引脚OUT1L、OUT1H输出的信号为低电平时，驱动信号经过由电阻R30、三极管Q3，电阻R32组成的功率放大电路，再经过三并联的栅极电阻R36、R37、R38，之后送入SiC MOSFET的栅极，完成SiC MOSFET的驱动。
米勒钳位输出引脚OUT2：SiC MOSFET栅极的米勒电流极易造成SiC MOSFET的误开通，因此需要进行泄放处理，引脚OUT2经由电阻R39，三极管Q4直接连接至SiC MOSFET的栅极，同时，三极管Q4的基极通过电阻R40连接到SiC MOSFET的栅极，为了保护栅极过电压，SiC MOSFET的栅极同时通过电阻R41连接到SiC MOSFET的源极。
工作原理：
如图5所示，为本发明的整体电路图。通过MOSFET驱动芯片，一方面辅以开关变压器、开关管、电阻、电容和二极管等元件，组成开关电源电路，提供SiC MOSFET驱动所需要的非常规电压；另一方面，辅以辅以三极管等元件，组成SiC MOSFET功率放大驱动电路，由于SiC MOSFET开通电压低，工作电压高，极易造成误开通，高速频率开关可靠性得不到保证，电路提供了低电压锁存，米勒电压钳位及保护功能，抑制了误开通，该电路结构简单，经济实用，且可靠性高。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种SiC MOSFET的驱动电路，其特征在于，包括开关电源模块、逻辑控制模块和驱动及保护模块；
所述开关电源模块中将开关频率产生电路和反馈电路内置于驱动芯片U1中，所述开关电源模块用于接收外部输入的电压，通过开关变压器和开关管的动作，输出SiC MOSFET驱动所需的非常规电压；
所述逻辑控制模块用于完成对所述开关电源模块中驱动芯片U1的设置及状态的监测；
所述驱动及保护模块用于完成SiC MOSFET的驱动，以及对驱动芯片U1和SiC MOSFET的保护。
2.根据权利要求1所述的SiC MOSFET的驱动电路，其特征在于，所述开关电源模块中，驱动芯片U1包括引脚FB，引脚FB用于监测过电压和低电压，当引脚FB监测到过电压或低电压时，驱动芯片U1立即输出关闭开关管的信号到引脚FET_G，立即关闭开关管Q1的输出。
3.根据权利要求1所述的SiC MOSFET的驱动电路，其特征在于，所述开关电源模块中，驱动芯片U1包括引脚SENSE，引脚SENSE用于监测过电流，当引脚SENSE监测到过电流时，驱动芯片U1立即输出关闭开关管的信号到引脚FET_G，立即关闭开关管Q1的输出。
4.根据权利要求1所述的SiC MOSFET的驱动电路，其特征在于，所述驱动芯片U1中的引脚FLT与所述逻辑控制模块连接，当驱动芯片U1发生热故障时，引脚FLT将输出低电平，否则为高阻态。
5.根据权利要求1所述的SiC MOSFET的驱动电路，其特征在于，所述驱动芯片U1中的引脚MODE与所述驱动及保护模块连接，引脚MODE用于设置低电压锁存功能电压的来源；
如果为低电平，则选择引脚UVLOIN的电压源；
如果为高电平，则选择引脚VCC2的电压源。
6.根据权利要求1所述的SiC MOSFET的驱动电路，其特征在于，所述驱动芯片U1中的引脚DESAT与所述驱动及保护模块连接，当SiC MOSFET导通电压超过饱和电压时，引脚DESAT用于监测SiC MOSFET源极和漏极之间的压降。
7.根据权利要求1所述的SiC MOSFET的驱动电路，其特征在于，所述驱动芯片U1中的引脚PROOUT与所述驱动及保护模块连接，当引脚DESAT监测到SiC MOSFET饱和电压异常时，通过引脚PROOUT输出电压信号直接关断SiC MOSFET。
8.根据权利要求1所述的SiC MOSFET的驱动电路，其特征在于，所述驱动芯片U1中的引脚OUT1L和引脚OUT1H与所述驱动及保护模块连接，引脚OUT1L和引脚OUT1H用于输出驱动信号，驱动SiC MOSFET；
当引脚OUT1L和引脚OUT1H输出的信号为高电平时，驱动信号经过由电阻R29、三极管Q2，电阻R31组成的功率放大电路，再经过三并联的栅极电阻R33、R34、R35，之后送入SiCMOSFET的栅极，完成SiC MOSFET的驱动；
当引脚OUT1L和引脚OUT1H输出的信号为低电平时，驱动信号经过由电阻R30、三极管Q3，电阻R32组成的功率放大电路，再经过三并联的栅极电阻R36、R37、R38，之后送入SiCMOSFET的栅极，完成SiC MOSFET的驱动。
9.根据权利要求1所述的SiC MOSFET的驱动电路，其特征在于，所述驱动芯片U1中的引脚VTSIN与所述驱动及保护模块连接，引脚VTSIN用于监测驱动芯片U1的温度，外部温度传感器电压信号通过引脚VTSIN输入到驱动芯片U1内部，当温度超过一定温度时，驱动芯片U1内部温度保护功能将被激活，同时关闭引脚OUT1L和引脚OUT1H的输出。
10.根据权利要求1所述的SiC MOSFET的驱动电路，其特征在于，所述驱动芯片U1中的引脚OUT2与所述驱动及保护模块连接，引脚OUT2经由电阻R39，三极管Q4直接连接至SiCMOSFET的栅极。
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