CN109450233A - 一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法，该电路包括连接在上桥臂的第一正向供电电源和第一负向供电电源之间的第一电压图腾柱结构电路、第一驱动电阻电路、连接在上管栅源极之间第一低阻抗回路、连接在下桥臂的第二正向供电电源和第二负向供电电源之间的第二电压图腾柱结构电路、第二驱动电阻电路和连接在下管栅源极之间的第二低阻抗回路；第一驱动电阻电路的输入端连接第一电压图腾柱结构电路的输出端，输出端连接上管的栅极；第二驱动电阻电路的输入端连接第二电压图腾柱结构电路的输出端，输出端连接下管的栅极；上管与下管连接。该电路可充分发挥SiC MOSFET高速开关的性能优势，在实现桥臂串扰抑制功能的同时能够实现高速开关。

Description

一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法
技术领域
本发明属于SiC MOSFET驱动设计技术领域，特别涉及一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及其控制方法。
背景技术
与传统Si(硅)器件相比，SiC(碳化硅)器件具有更宽的禁带宽度、更高的热导率、更高的临界场强以及更快的饱和电子迁移速率，其导通压降低、开关速度快，具有耐高温、耐高压的特点，因而在航空航天、混合电动车辆、太阳能逆变器、功率因数校正、UPS和电机驱动领域均有很大应用前景。
桥臂电路作为变换器中常用的电路结构中，同一桥臂具有上下两个开关管，上下管互补导通，同一桥臂的上、下管在开关过程中产生很大的du/dt、di/dt，此时寄生参数的存在会造成同一桥臂的另一个开关管的栅源极出现串扰电压，出现桥臂串扰现象。对于Si器件，桥臂串扰对开关的影响较小，而对于SiC器件而言，由于SiC器件的开关速度快，开通阈值电压小，桥臂串扰的影响较大。在某个开关管开通时会在同一桥臂的另一个功率管栅源极引起正向串扰电压，而SiC功率管的阈值电压比传统Si功率器件小，极有可能使本应关断的功率管误导通，导致桥臂直通危险。类似的，在某个开关管关断时会在同一桥臂的另一个功率管栅源极引起负向串扰电压，而SiC功率管所能承受的负压比传统Si功率器件小得多，负向串扰可能会超过SiC功率器件的承受值，损坏功率器件或使器件性能加速退化。
目前文献中针对SiC基桥臂电路应用中的桥臂串扰问题，常用的方法有在功率管栅源极间并联外部电容、功率管关断期间在其栅源极增加负偏置电压、有源密勒箝位等方法，其中，并联电容法降低了开关速度，增加了开关损耗，增加栅极负偏压的方法会加大SiCMOSFET栅氧层的应力，缩短器件寿命。此外有源密勒箝位的方法需要外加控制信号，且控制复杂。这些方法在抑制SiC MOSFET桥臂串扰问题的同时，存在降低开关速度、增加开关损耗、驱动损耗和不能抑制负向串扰电压的缺点，实际应用价值受限。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，能够充分发挥SiC MOSFET高速开关的性能优势，在不影响其开关速度和开关损耗以及器件寿命的同时抑制桥臂串扰现象，实现高速、高效、高可靠性的驱动SiC MOSFET。
技术方案：本发明提供一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，该电路包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括第一正向供电电源，第一负向供电电源和下管，所述下桥臂包括第二正向供电电源，第二负向供电电源和下管；所述驱动电路还包括连接在上桥臂的第一正向供电电源和第一负向供电电源之间的第一电压图腾柱结构电路、第一驱动电阻电路、连接在上管栅源极之间第一低阻抗回路、连接在下桥臂的第二正向供电电源和第二负向供电电源之间的第二电压图腾柱结构电路、第二驱动电阻电路和连接在下管栅源极之间的第二低阻抗回路；所述第一驱动电阻电路的输入端连接第一电压图腾柱结构电路的输出端，输出端连接上管的栅极；所述第二驱动电阻电路的输入端连接第二电压图腾柱结构电路的输出端，输出端连接下管的栅极；上管的源极与下管的漏极连接。
进一步的，所述第一电压图腾柱结构电路与第二电压图腾柱结构电路结构相同，均包括第一、二开关管，第一开关管的漏极连接第一/二正向供电电源，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极，第二开关的源极连接第一/二负向供电电源，第一开关管的源极为第一/二电压图腾柱结构电路的输出端。
进一步的，所述第一驱动电阻电路与第二驱动电阻电路结构相同，均包括第一、二驱动电阻、第一二极管、第一电感、第三开关管；所述第一驱动电阻的一端连接第一二极管的阳极、第一二极管的阴极连接第二驱动电阻的一端；第二驱动电阻的另外一端连接第一电感的一端，第一电感的另外一端连接第三开关管的源极，第三开关管的漏极连接第一驱动电阻的另外一端，第三开关管的漏极为第一/二驱动电阻电路的输入端；第一二极管的阴极为第一/二驱动电阻电路的输出端。
进一步的，所述第一低阻抗回路与第二低阻抗回路的结构相同，均包括第一电容和第二二极管；所述第一电容的一端连接上/下管的栅极，第一电容的另外一端连接第二二极管的阴极，第二二极管的阴极连接上/下管的源极。
进一步的，下管开通前，上桥臂的第二、三开关管同时导通，上管的栅源电压发生振荡，经过一段时间后，上管的栅源负电压高于正常关断负压；下管开通的瞬间，上管栅源极产生正向串扰电压，所述正向串扰电压与之前的上管的栅源负电压相互叠加，正向串扰电压得到抑制；
下管导通期间，上管的栅源负电压逐渐由振荡趋于稳定；达到正常关断负压；下管关断的瞬间，上桥臂的第一低阻抗回路抑制负向串扰电压。
进一步的，上管开通前，下桥臂的第二、三开关管同时导通，下管的栅源电压发生振荡，经过一段时间后，下管的栅源负电压高于正常关断负压；上管开通的瞬间，下管的栅源极产生正向串扰电压，所述正向串扰电压与之前的下管的栅源负电压相互叠加，正向串扰电压得到抑制；
上管导通期间，下管的栅源负电压逐渐由振荡趋于稳定；达到正常关断负压；上管关断的瞬间，下桥臂的第二低阻抗回路抑制负向串扰电压。
有益效果：本发明能够充分发挥SiC MOSFET高速开关的性能优势，在不影响其开关速度和开关损耗以及器件寿命的同时抑制桥臂串扰现象，实现高速、高效、高可靠性的驱动SiC MOSFET；本发明能够有效地抑制正向串扰，并且本发明采用并联二极管加电容的方式提供低阻抗回路，能够抑制负向桥臂串扰电压。
附图说明
图1为本发明中第一电压图腾柱结构电路的电路图；
图2为本发明中上桥臂串扰抑制电路；
图3为本发明的电路图；
图4为本发明中各开关管的波形时序图；
图5为本发明中桥臂电路上管关断时刻，上管栅源电压波形图。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
如图1-3所示本发明提供一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括第一正向供电电源UG，on1，第一负向供电电源UG，off1和下管，所述下桥臂包括第二正向供电电源UG，on2，第二负向供电电源UG，off2和下管；所述驱动电路还包括连接在上桥臂的第一正向供电电源UG，on1和第一负向供电电源UG，off1之间的第一电压图腾柱结构电路；输入端连接第一电压图腾柱结构电路输出端、输出端连接上管栅极的第一驱动电阻电路；连接在上管栅源极之间第一低阻抗回路；连接在下桥臂的第二正向供电电源UG，on2和第二负向供电电源UG，off2之间的第二电压图腾柱结构电路；输入端连接第二电压图腾柱结构电路输出端、输出端连接下管栅极的第二驱动电阻电路；连接在下管栅源极之间的第二低阻抗回路；上管的源极与下管的漏极连接。
所述第一电压图腾柱结构电路与第二电压图腾柱结构电路结构相同，均包括第一、二开关管(S1(H)、S2(H)/S1(L)、S2(L))，第一开关管(S1(H)/S1(L))的漏极连接第一/二正向供电电源(UG，on1/UG，on2)，第一开关管(S1(H)/S1(L))的源极连接第二开关管(S2(H)/S2(L))的漏极，第二开关(S2(H)/S2(L))的源极连接第一/二负向供电电源(UG，off1/UG，off2)，第一开关管(S1(H)/S1(L))的源极为第一/二电压图腾柱结构电路的输出端。
所述第一驱动电阻电路与第二驱动电阻电路结构相同，均包括第一、二驱动电阻(RG，on(H)、RG，off(H)/RG，on(L)、RG，off(L))、第一二极管(D1(H)/D1(L))、第一电感(L1(H)/L1(L))、第三开关管(S3(H)/S3(L))；所述第一驱动电阻(RG，on(H)/RG，on(L))的一端连接第一二极管(D1(H)/D1(L))的阳极、第一二极管(D1(H)/D1(L))的阴极连接第二驱动电阻(RG，off(H)/RG，off(L))的一端；第二驱动电阻(RG，off(H)/RG，off(L))的另外一端连接第一电感(L1(H)/L1(L))的一端，第一电感(L1(H)/L1(L))的另外一端连接第三开关管(S3(H)/S3(L))的源极，第三开关管(S3(H)/S3(L))的漏极连接第一驱动电阻(RG，on(H)/RG，on(L))的另外一端，第三开关管(S3(H)/S3(L))的漏极为第一/二驱动电阻电路的输入端；第一二极管(D1(H)/D1(L))的阴极为第一/二驱动电阻电路的输出端。
所述第一低阻抗回路与第二低阻抗回路的结构相同，均包括第一电容(C1(H)/C1(L))和第二二极管(D2(H)/D2(L))，所述第一电容(C1(H)/C1(L))的一端连接上/下管的栅极，第一电容(C1(H)/C1(L))的另外一端连接第二二极管(D2(H)/D2(L))的阴极，第二二极管(D2(H)/D2(L))的阴极连接上/下管的源极。
一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路的控制方法，具体为，下管开通前，上桥臂的第二、三开关管同时导通，由于上管的第一电感和上管的寄生电容的影响，上管的栅源电压发生振荡，经过一段时间后，上管的栅源负电压高于正常关断负压；下管开通的瞬间，上管栅源极产生正向串扰电压，所述正向串扰电压与之前的上管的栅源负电压相互叠加，正向串扰电压得到抑制；
下管导通期间，上管的栅源负电压逐渐由振荡趋于稳定；达到正常关断负压；下管关断的瞬间，上桥臂的第一低阻抗回路抑制负向串扰电压。
上管开通前，下桥臂的第二、三开关管同时导通，由于下管的第一电感和下管的寄生电容的影响，下管的栅源电压发生振荡，经过一段时间后，下管的栅源负电压高于正常关断负压；上管开通的瞬间，下管的栅源极产生正向串扰电压，所述正向串扰电压与之前的下管的栅源负电压相互叠加，正向串扰电压得到抑制；
上管导通期间，下管的栅源负电压逐渐由振荡趋于稳定；达到正常关断负压；上管关断的瞬间，下桥臂的第二低阻抗回路抑制负向串扰电压。
如图4所示，t1时刻，上桥臂驱动电路中的第一开关管开通，第二、三开关管关断，上管开始开通，此时下桥臂驱动电路中的第一开关管关断，第二、三开关管导通，下管处于关断状态；t2时刻，上桥臂驱动电路中的第一开关管关断，第二、三开关管开通，上管开始关断，此时下桥臂驱动电路中的开关管状态不变，下管仍处于关断状态；经过一段死区时间后，t3时刻，下桥臂驱动电路中的第一开关管开通，第二、三开关管关断，下管开始开通，此时上桥臂驱动电路中的开关管状态不变，上管处于关断状态；t4时刻，下桥臂驱动电路中的第一开关管关断，第二、三开关管开通，下管开始关断，此时上桥臂驱动电路中的开关管状态不变，上管仍处于关断状态；此后经过一段死区时间后，t5时刻，上管开始开通。
如图5所示，当给上管施加关断信号时，由于上管第一电感与上管的寄生电容发生振荡，上管栅源电压经过一段时间后到达较大负电压，随后逐渐由振荡趋于稳定，达到正常关断负压，由于桥臂电路需要设置一定的死区时间，当下管开通瞬间，上管栅源电压可以达到较大负电压值，此时由于桥臂串扰的影响，上管栅源极产生正向串扰电压，与之前的较大负电压相互叠加，正向串扰电压得到抑制。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (6)

1.一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，包括上桥臂和下桥臂，其特征在于：所述上桥臂包括第一正向供电电源，第一负向供电电源和下管，所述下桥臂包括第二正向供电电源，第二负向供电电源和下管；所述驱动电路还包括连接在上桥臂的第一正向供电电源和第一负向供电电源之间的第一电压图腾柱结构电路、第一驱动电阻电路、连接在上管栅源极之间第一低阻抗回路、连接在下桥臂的第二正向供电电源和第二负向供电电源之间的第二电压图腾柱结构电路、第二驱动电阻电路和连接在下管栅源极之间的第二低阻抗回路；所述第一驱动电阻电路的输入端连接第一电压图腾柱结构电路的输出端，输出端连接上管的栅极；所述第二驱动电阻电路的输入端连接第二电压图腾柱结构电路的输出端，输出端连接下管的栅极；上管的源极与下管的漏极连接。
2.根据权利要求1所述的一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，其特征在于，所述第一电压图腾柱结构电路与第二电压图腾柱结构电路结构相同，均包括第一、二开关管，第一开关管的漏极连接第一/二正向供电电源，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极，第二开关的源极连接第一/二负向供电电源，第一开关管的源极为第一/二电压图腾柱结构电路的输出端。
3.根据权利要求2所述的一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，其特征在于，所述第一驱动电阻电路与第二驱动电阻电路结构相同，均包括第一、二驱动电阻、第一二极管、第一电感、第三开关管；所述第一驱动电阻的一端连接第一二极管的阳极、第一二极管的阴极连接第二驱动电阻的一端；第二驱动电阻的另外一端连接第一电感的一端，第一电感的另外一端连接第三开关管的源极，第三开关管的漏极连接第一驱动电阻的另外一端，第三开关管的漏极为第一/二驱动电阻电路的输入端；第一二极管的阴极为第一/二驱动电阻电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，其特征在于，所述第一低阻抗回路与第二低阻抗回路的结构相同，均包括第一电容和第二二极管；所述第一电容的一端连接上/下管的栅极，第一电容的另外一端连接第二二极管的阴极，第二二极管的阴极连接上/下管的源极。
5.根据权利要求3所述的一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路的控制方法，其特征在于，下管开通前，上桥臂的第二、三开关管同时导通，上管的栅源电压发生振荡，经过一段时间后，上管的栅源负电压高于正常关断负压；下管开通的瞬间，上管栅源极产生正向串扰电压，所述正向串扰电压与之前的上管的栅源负电压相互叠加，正向串扰电压得到抑制；
下管导通期间，上管的栅源负电压逐渐由振荡趋于稳定；达到正常关断负压；下管关断的瞬间，上桥臂的第一低阻抗回路抑制负向串扰电压。
6.根据权利要求3所述的一种谐振型SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路的控制方法，其特征在于，上管开通前，下桥臂的第二、三开关管同时导通，下管的栅源电压发生振荡，经过一段时间后，下管的栅源负电压高于正常关断负压；上管开通的瞬间，下管的栅源极产生正向串扰电压，所述正向串扰电压与之前的下管的栅源负电压相互叠加，正向串扰电压得到抑制；
上管导通期间，下管的栅源负电压逐渐由振荡趋于稳定；达到正常关断负压；上管关断的瞬间，下桥臂的第二低阻抗回路抑制负向串扰电压。
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