CN109494969B - 一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路 - Google Patents

一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，包括：PWM控制电路、驱动信号放大电路、开通电路、关断电路、栅极增流电路和电压变化率控制电路；本发明通过设置栅极增流电路，在SiC MOSFET开通过程中增大驱动电流，加快SiC MOSFET栅源电压的上升速度，从而提高了SiC MOSFET的开通速度；同时设置电压变化率控制电路，增加SiC MOSFET漏级与栅极之间的密勒电容，降低SiC MOSFET漏源电压变化率，从而减小了SiC MOSFET开通时的电流尖峰；在SiC MOSFET漏源电压不再变化后关断电压控制开关，避免串扰现象导致SiC MOSFET误导通，从而保证了SiC MOSFET的工作安全。

Description

一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路
技术领域
本发明属于电力电子驱动技术领域，更具体地，涉及一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路。
背景技术
SiC MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)即碳化硅金属- 氧化物半导体场效应晶体管，具有开关速度快，开关损耗小，温度性能好，耐压等级高，体积小等优点，在电力电子变换器领域具有非常好的应用前景，而高频化是电力电子变换技术的发展趋势，但SiC MOSFET由于开关速度很快，在高频场合中很容易受到各种寄生参数的影响，导致震荡，误导通等现象。因此，在实际应用中必须设计相应的驱动电路，以确保SiC MOSFET安全、可靠工作，充分发挥SiC MOSFET的性能优势。
但是，SiC MOSFET的传统驱动电路在开通过程中存在开关速度与电流超调这一对矛盾，传统的SiC MOSFET通过控制栅极电阻来控制开关速度以及电流超调，当栅极电阻较大时，电流超调会下降，但开关速度也同时会下降；反之，当栅极电阻较小时，开关速度会提高，但电流超调会增加。因此，传统的SiC MOSFET驱动电路不能同时满足开关速度快，电流尖峰小的要求，需要对驱动电路进行改进。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，旨在提高SiC MOSFET开通速度的同时，减小SiC MOSFET开通时产生的电流尖峰，保证SiC MOSFET安全工作。
为实现上述目的，本发明提供了一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，包括：PWM控制电路、驱动信号放大电路、开通电路、关断电路、栅极增流电路和电压变化率控制电路；
所述PWM控制电路的输出端与所述驱动信号放大电路的输入端连接，用于控制所述驱动信号放大电路输出正驱动电压和负驱动电压；
所述正驱动电压为18V～20V，所述负驱动电压为-4V～-5V。
所述开通电路的输入端与所述驱动信号放大电路的的输出端连接，输出端与SiCMOSFET的栅极连接，用于向SiC MOSFET输入驱动电流；
所述关断电路的输出端与所述驱动信号放大电路的的输出端连接，输入端与SiCMOSFET的栅极连接，用于对导通的SiC MOSFET进行关断；
所述栅极增流电路的控制端与所述驱动信号放大电路的的输出端连接，输出端与SiC MOSFET的栅极连接，用于在SiC MOSFET开通过程中的两个阶段输出电流并与所述驱动电流叠加，加快SiC MOSFET栅源电压的上升，提高SiC MOSFET的开通速度；
所述两个阶段为：
SiC MOSFET栅源电压开始上升到所述栅源电压到达密勒电压阶段；
SiC MOSFET漏源电压下降到导通电压时到SiC MOSFET完全导通阶段。
进一步地，所述栅极增流电路包括：增流电压源、增流开关和限流电阻；
所述增流开关的输入端与所述增流电压源的输出端连接，控制端与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输出端通过所述限流电阻与SiC MOSFET的栅极连接。
进一步地，通过改变所述增流电压源及所述限流电阻的大小，控制所述驱动电流的大小。
进一步地，所述电压变化率控制环节的控制端与所述驱动信号放大电路的的输出端连接，输出端与SiC MOSFET的栅极连接，用于增大SiC MOSFET漏级与栅极之间的密勒电容，降低SiC MOSFET漏源电压变化率，减小SiC MOSFET开通时的电流尖峰。
进一步地，所述电压变化率控制电路包括：电压控制开关和电压控制电容；
所述电压控制开关的输入端与SiC MOSFET的漏级连接，控制端与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输出端通过所述电压控制电容与SiC MOSFET的栅极连接。
进一步地，通过改变所述电压控制电容的大小，控制所述漏源电压变化率。
进一步地，所述开通电路包括：开通二极管和开通电阻；
所述开通二极管的正极与所述驱动信号放大电路的输出端连接，负极通过所述开通电阻与SiC MOSFET的栅极连接。
进一步地，所述关断电路包括：关断二极管和关断电阻；
所述关断二极管的负极与所述驱动信号放大电路的输出端连接，正极通过所述关断电阻与SiC MOSFET的栅极连接。
可选地，PWM控制信号由PWM控制芯片产生，或使用DSP、单片机、 FPGA可编程芯片产生。
可选地，所述驱动信号放大电路使用PMOS管和NMOS管构成的推挽式驱动电路，或使用NPN和PNP三极管构成的推挽式驱动电路。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的驱动电路通过设置栅极增流电路，在SiC MOSFET开通过程中输出电流并与驱动电流叠加，加快SiC MOSFET栅源电压的上升速度，从而提高了SiC MOSFET的开通速度；
(2)本发明的驱动电路通过设置电压变化率控制电路，增加SiC MOSFET漏级与栅极之间的密勒电容，降低SiC MOSFET漏源电压变化率，从而减小了SiC MOSFET开通时的电流尖峰；
(3)本发明的驱动电路在SiC MOSFET完全导通后，使电压控制开关保持关断状态，可以避免串扰现象导致SiC MOSFET误导通，从而保证了 SiC MOSFET安全工作。
附图说明
图1是按照本发明的SiC MOSFET的驱动电路结构示意图；
图2是按照本发明的SiC MOSFET的驱动电路具体实施示意图；
图3是按照本发明的SiC MOSFET开通过程中各时段的电压电流波形图；
1为PWM控制电路，2为驱动信号放大电路，3为开通电路，4为关断电路，5为栅极增流电路，6为电压变化率控制电路，7为SiC MOSFET。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，按照本发明的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，包括：PWM控制电路1、驱动信号放大电路2、开通电路3，关断电路4，栅极增流电路5和电压变化率控制电路6；
PWM控制电路1的输出端与驱动信号放大电路2的输入端连接，控制驱动信号放大电路2输出正驱动电压和负驱动电压；
开通电路3的输入端与驱动信号放大电路2的输出端连接，输出端与 SiC MOSFET7的栅极连接，用于向SiC MOSFET 7输入驱动电流；
关断电路4的输出端与驱动信号放大电路2的输出端连接，输入端与 SiC MOSFET7的栅极连接，用于对导通的SiC MOSFET 7进行关断。
栅极增流电路5的控制端与驱动信号放大电路2的输出端连接，输出端与SiCMOSFET 7的栅极连接，用于在SiC MOSFET 7开通过程中输出电流并与所述驱动电流叠加，加快SiC MOSFET 7栅源电压的增加，提高SiC MOSFET 7的开通速度。
电压变化率控制电路6的控制端与驱动信号放大电路2的输出端连接，输出端与SiC MOSFET 7的栅极连接，用于增大SiC MOSFET 7漏级与栅极之间的密勒电容，降低SiCMOSFET 7的漏源电压变化率，从而减小SiC MOSFET 7开通时的电流尖峰；
具体地，如图2所示，
PWM控制电路1输出高电平信号时，驱动信号放大电路2输出正驱动电压Vcc，Vcc为18V～20V；
PWM控制电路1输出低电平信号时，驱动信号放大电路2输出负驱动电压为Vee，Vee为-4V～-5V。
其中，PWM控制信号可由PWM控制芯片产生，或使用DSP、单片机、 FPGA可编程芯片产生。
驱动信号放大电路2可使用PMOS管和NMOS管构成的推挽式驱动电路，或使用NPN和PNP三极管构成的推挽式驱动电路，也可以采用其他电路形式实现。
开通电路3包括：开通二极管D1和开通电阻Ron；
开通二极管D1的正极与驱动信号放大电路2的输出端连接，负极通过开通电阻Ron与SiC MOSFET开关管Q3的栅极连接。
关断电路4包括：关断二极管D2和关断电阻Roff；
关断二极管D2的负极与驱动信号放大电路2的输出端连接，正极通过关断电阻Roff与Q3的栅极连接。
栅极增流电路5包括：增流电压源V1、电流控制开关Q1和限流电阻 R1；
电流控制开关Q1的控制端与驱动信号放大电路2的输出端连接，输入端与增流电压源V1连接，输出端通过限流电阻R1与Q3的栅极连接。
电压变化率控制电路6包括：电压控制开关Q2和电压控制电容C1；
电压控制开关Q2的控制端与驱动信号放大电路2的输出端连接，输入端与Q3的漏级连接，输出端通过电压控制电容C1与Q3的栅极连接。
基于上述方案的SiC MOSFET开关管Q3的开通过程可分为5个阶段，每个阶段的电压电流变化情况如图3所示，现分别对每个阶段的工作原理进行具体说明。
t1～t2阶段：PWM控制电路1发出高电平信号，驱动信号放大电路2 输出正驱动电压Vcc，驱动电流经过开通二极管D1和开通电阻Ron，在t1 时刻，Q3的栅源电压Vgs开始上升，此时，使电流控制开关Q1导通，栅极增流电路5输出电流，驱动电流增大，Vgs的上升速度加快，当栅源电压 Vgs大于阈值电压时，Q3开始导通，电流id开始上升。
t2～t3阶段：t2时刻，Q3栅源电压Vgs到达密勒电压Vmiller，Q3漏源 Vds开始下降，电流id开始出现超调，此时，使电流控制开关Q1关断，以使驱动电流不再继续增大，同时使电压控制开关Q2导通，电压控制电容 C1并入驱动电路，Q3漏级与栅极之间的密勒电容Cgd增大，根据Q3漏源电压变化率公式
Figure BDA0001899517810000061
可知，在igd不变的情况下，增大密勒电容Cgd 可以降低漏源电压变化率，进而减小反向恢复二极管的寄生电容上感应出的电流，从而减小流过Q3的电流尖峰。
t3～t4阶段：在Q3漏源电压Vds下降到0.5Vdc时，使电压控制开关 Q2关断，电压控制电容C1移出驱动电路，Q3漏源电压Vds的下降速度加快。
t4～t5阶段：t4时刻，Q3漏源电压Vds下降到导通压降时，再次使电流控制开关Q1导通，栅极增流电路5输出电流，继续加快Q3栅源电压 Vgs上升。t5时刻，Q3栅源电压Vgs达到正驱动电压为Vcc，SiC MOSFET 已经完全导通，关断电流控制开关Q1。
在上述阶段，通过改变增流电压源V1和限流电阻R1的大小，控制输入到Q3栅极的驱动电流的大小；同时通过改变电压控制电容C1的大小，控制Q3漏源电压Vds的变化率。
应当说明的是，在半桥结构应用本发明的SiC MOSFET驱动电路时，当下管开通时，由于上管电压变化很快，会在上管密勒电容中感应出很大的电流，此电流与密勒电容大小成正比。此电流给上管栅源电容充电，使上管栅源电压升高，当栅源电压高于阈值电压时，会使上管部分导通，从而增加开关损耗；若栅源电压更高，则可能会使上下管同时导通，造成短路故障。因此，在Q3漏源电压不再下降后，应使电压控制开关Q2始终关断，以避免串扰现象导致SiC MOSFET误导通，从而保证SiC MOSFET安全工作。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，包括：PWM控制电路、驱动信号放大电路、开通电路、关断电路、栅极增流电路和电压变化率控制电路；
所述PWM控制电路的输出端与所述驱动信号放大电路的输入端连接，用于控制所述驱动信号放大电路输出正驱动电压和负驱动电压；
所述开通电路的输入端与所述驱动信号放大电路的的输出端连接，输出端与SiCMOSFET的栅极连接，用于向SiC MOSFET输入驱动电流；
所述关断电路的输出端与所述驱动信号放大电路的的输出端连接，输入端与SiCMOSFET的栅极连接，用于对导通的SiC MOSFET进行关断；
所述栅极增流电路的控制端与所述驱动信号放大电路的的输出端连接，输出端与SiCMOSFET的栅极连接，用于在SiC MOSFET开通过程中输出电流并与所述驱动电流叠加，驱动SiC MOSFET开通；
所述电压变化率控制环节的控制端与所述驱动信号放大电路的的输出端连接，输出端与SiC MOSFET的栅极连接，用于在SiC MOSFET开通过程中，从SiC MOSFET漏源电压开始下降时到漏源电压到达0.5Vdc阶段，增大SiC MOSFET漏级与栅极之间的密勒电容，降低SiCMOSFET漏源电压的下降速率，减小SiC MOSFET开通时的电流尖峰；其中，Vdc为加载在SiCMOSFET漏极上的直流电压。
2.如权利要求1所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述栅极增流电路包括：增流电压源、增流开关和限流电阻；
所述增流开关的输入端与所述增流电压源的输出端连接，控制端与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输出端通过所述限流电阻与SiC MOSFET的栅极连接。
3.如权利要求1或2所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述电压变化率控制电路包括：电压控制开关和电压控制电容；
所述电压控制开关的输入端与SiC MOSFET的漏级连接，控制端与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输出端通过所述电压控制电容与SiC MOSFET的栅极连接。
4.如权利要求1所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述开通电路包括：开通二极管和开通电阻；
所述开通二极管的正极与所述驱动信号放大电路的输出端连接，负极通过所述开通电阻与SiC MOSFET的栅极连接。
5.如权利要求1所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述关断电路包括：关断二极管和关断电阻；
所述关断二极管的负极与所述驱动信号放大电路的输出端连接，正极通过所述关断电阻与SiC MOSFET的栅极连接。
6.如权利要求1所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述正驱动电压为18V～20V，所述负驱动电压为-4V～-5V。
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