CN109586555A - 一种变关断负压的SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及控制方法 - Google Patents

一种变关断负压的SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种变关断负压的SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及控制方法，该电路包括第一、二、三、四电压图腾柱结构电路、第一、二驱动电阻电路、第一、二低阻抗回路和上、下管；所述第一电压图腾柱结构电路连接第二电压图腾柱结构电路；第二电压图腾柱结构电路连接第一驱动电阻电路，第一驱动电阻电路与上管之间连接第一低阻抗回路；所述第三电压图腾柱结构电路连接第四电压图腾柱结构电路；第四电压图腾柱结构电路连接第二驱动电阻电路，第二驱动电阻电路与下管之间连接第二低阻抗回路；上管与下管连接。本发明可充分发挥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提高关断瞬间的驱动电压，实现高速开关，减少开关管的损耗。

Description

一种变关断负压的SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及控制 方法
技术领域
本发明属于SiC MOSFET驱动设计技术领域，特别涉及一种变关断负压的SiCMOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及控制方法。
背景技术
SiC(碳化硅)器件相较于Si(硅)器件而言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电子迁移速率，在耐高温高压，开关速度，工作频率等方面优势明显，适合用于高速高功率的应用场合。然而在桥臂电路中，由于SiC MOSFET高的开关速度，使得同一桥臂的上、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，发生桥臂串扰现象，使其产生误导通或者超过最大允许栅源极负偏压的情况，进而损坏功率器件或者加速功率器件退化。
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：为解决上述开关速度低、损耗大、器件寿命短、不能抑制负向串扰电压的问题，本发明提供一种变关断负压的SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路及控制方法。
技术方案：本发明提供一种变关断负压的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电压图腾柱结构电路、第二电压图腾柱结构电路、第一驱动电阻电路和上管；所述第一电压图腾柱结构电路的输出端与第二电压图腾柱结构电路的输入端连接；第二电压图腾柱结构电路的输出端连接第一驱动电阻电路的输入端，第一驱动电阻电路的输入端连接上管的栅极，该上桥臂还包括第一低阻抗回路，所述第一低阻抗回路的一端连接上管的栅极，另外一端连接上管的源极；
所述下桥臂包括第三电压图腾柱结构电路、第四电压图腾柱结构电路、第二驱动电阻电路和下管；所述第三电压图腾柱结构电路的输出端与第四电压图腾柱结构电路的输入端连接；第四电压图腾柱结构电路的输出端连接第二驱动电阻电路的输入端，第二驱动电阻电路的输出端连接下管的栅极该上桥臂还包括第二低阻抗回路，所述第二低阻抗回路的一端连接下管的栅极，另外一端连接下管的源极。
进一步的，所述第一电压图腾柱结构电路包括第一、二开关管，第一正、负向供电电源；第一开关管的漏极连接第一正向供电电源，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极，第二开关管的源极连接第一负向供电电源，第一开关管的源极为第一电压图腾柱结构电路的输出端；所述第二电压图腾柱结构电路包括第三、四开关管和第二负向供电电源；第三开关管的漏极与第一开关管的源极连接；第三开关管的源极与第四开关管的漏极连接，第四开关管的源极连接第二负向供电电源，第三开关管的源极为第二电压图腾柱结构电路的输出端。
进一步的，所述的第一驱动电阻电路包括第一、二驱动电阻、第一、二二极管；所述第一驱动电阻的一端连接第一二极管的阳极；第二二极管的阳极连接第二驱动电阻的一端；第一驱动电阻的另外一端与第二二极管的阴极连接；第二驱动电阻的另外一端与第一二极管的阴极连接；第二二极管的阴极为第一驱动电阻电路的输入端，第一二极管的阴极为第一驱动电阻电路的输出端。
进一步的，所述第一低阻抗回路包括第一电容和第五二极管，所述第一电容的一端与上管的栅极连接，第一电容的另外一端连接第五二极管的阴极，第五二极管的阳极连接上管的源极。
进一步的，所述第三电压图腾柱结构电路包括第五、六开关管、第二正向供电电源和第三负向供电电源，所述第五开关管的漏极连接第二正向供电电源，第五开关管的源极连接第六开关管的漏极，第六开关管的源极连接第三负向供电电源，第五开关管的源极为第三电压图腾柱结构电路的输出端；所述第四电压图腾柱结构电路包括第七、八开关管和第四负向供电电源；第七开关管的漏极与第五开关管的源极连接；第七开关管的源极与第八开关管的漏极连接，第八开关管的源极连接第四负向供电电源，第七开关管的源极为第四电压图腾柱结构电路的输出端。
进一步的，所述的第二驱动电阻电路包括第三、四驱动电阻、第三、四二极管；所述第三驱动电阻的一端连接第三二极管的阳极；第四二极管的阳极连接第四驱动电阻的一端；第三驱动电阻的另外一端与第四二极管的阴极连接；第四驱动电阻的另外一端连接第三二极管的阴极，第四二极管的阴极为第二驱动电阻电路输入端，第三二极管的阴极为第二驱动电阻电路输出端。
进一步的，所述第二低阻抗回路包括第二电容和第六二极管，所述第二电容的一端与下管的栅极连接，第二电容的另外一端连接第六二极管的阴极，第六二极管的阳极连接下管的源极。
一种变关断负压的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，上管的第二开关管与第三开关管同时导通，第一负向供电电源加在上管的栅源两端，下管的开通瞬间，上管的源极出现正向串扰电压，与之前上管的负向电压相互叠加，抑制正向串扰电压；
下管开通后，上管的第二开关管与第四开关管同时导通，第二负向供电电源加在上管的栅源两端，为正常的关断负压，下管瞬间关断，第一低阻抗回路抑制桥臂负向串扰。
一种变关断负压的SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路的控制方法，具体为，上管开通前，下管的第六开关管与第七开关管同时导通，第三负向供电电源加在下管的栅源两端，上管的开通瞬间，下管的栅源极出现正向串扰电压，与之前下管的负向电压相互叠加，抑制正向串扰电压；
上管开通后，下管的第六开关管与第八开关管同时导通，第四负向供电电源加在下管的栅源两端，为正常的关断负压，上管瞬间关断，第二阻抗回路抑制下桥臂负向串扰电压。
有益效果：本发明具有以下技术效果：
(1)在正向桥臂串扰电压出现时，为开关管的栅源极施加较大负电压，能够降低其反向导通损耗，同时抑制正向串扰电压；
(2)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；
(3)在开关管正常关断期间，为开关管的栅源极施加正常关断电压，能够维持器件正常工作寿命；
(4)本发明能够降低开关损耗。
附图说明
图1是本发明的电路图；
图2是本发明中上桥臂电压图腾柱结构电路和驱动电阻电路的电路图；
图3是本发明中上桥臂低阻抗桥臂串扰抑制电路；
图4是本发明中各开关管的波形时序图；
图5是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1-2所示本发明提供一种变关断负压的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电压图腾柱结构电路、第二电压图腾柱结构电路、第一驱动电阻电路和上管；所述第一电压图腾柱结构电路的输出端与第二电压图腾柱结构电路的输入端连接；第二电压图腾柱结构电路的输出端连接第一驱动电阻电路的输入端，第一驱动电阻电路的输入端连接上管的栅极，该上桥臂还包括第一低阻抗回路，所述第一低阻抗回路的一端连接上管的栅极，另外一端连接上管的源极；
所述下桥臂包括第三电压图腾柱结构电路、第四电压图腾柱结构电路、第二驱动电阻电路和下管；所述第三电压图腾柱结构电路的输出端与第四电压图腾柱结构电路的输入端连接；第四电压图腾柱结构电路的输出端连接第二驱动电阻电路的输入端，第二驱动电阻电路的输出端连接下管的栅极该上桥臂还包括第二低阻抗回路，所述第二低阻抗回路的一端连接下管管的栅极，另外一端连接下管的源极。
第一电压图腾柱结构电路包括第一、第二开关管S1(H)、S2(H)，第一正、负向供电电源UG，on1、UG，off1；第一开关管S1(H)的漏极连接第一正向供电电源UG，on1，第一开关管S1(H)的源极连接第二开关管S2(H)的漏极，第二开关管S2(H)的源极连接第一负向供电电源UG，off1；所述第二电压图腾柱结构电路包括第三、四开关管S3(H)、S4(H)和第二负向供电电源UG，off2；第三开关管S3(H)的漏极与第一开关管S1(H)的源极、第二开关管S2(H)的漏极连接；第三开关管S3(H)的源极与第四开关S4(H)的漏极连接，第四开关管S4(H)的源极连接第二负向供电电源UG，off2。
所述的第一驱动电阻电路包括第一、二驱动电阻RG，on(H)、RG，off(H)；第一、二二极管D1(H)、D2(H)；所述第一驱动电阻RG，on(H)的一端连接第一二极管D1(H)的阳极；第二二极管D2(H)的阳极连接第二驱动电阻RG，off(H)的一端；第一驱动电阻D1(H)的另外一端与第三开关管s3(H)的源极、第四开关管S4(H)的漏极、第二二极管D2(H)的阴极连接；第二驱动电阻RG，off(H)的另外一端与第一二极管D1(H)的阴极连接。
所述第一低阻抗回路包括第一电容C1(H)和第五二极管D3(H)，所述第一电容C1(H)的一端与第一二极管D1(H)的阴极、第二驱动电阻RG，off(H)的另外一端、上管的栅极连接，第一电容C1(H)的另外一端连接第五二极管D3(H)的阴极，第五二极管D3(H)的阳极连接上管的源极。
所述第三电压图腾柱结构电路包括第五、六开关管S1(L)、S2(L)、第二正向供电电源UG，on2和第三负向供电电源UG，off3，所述第五开关管S1(L)的漏极连接第二正向供电电源UG，on2，第五开关管S1(L)的源极连接第六开关管S2(L)的漏极，第六开关管S2(L)的源极连接第三负向供电电源UG，off3；所述第四电压图腾柱结构电路包括第七、八开关管S3(L)、S4(L)和第四负向供电电源UG，off4；第七开关管S3(L)的漏极与第五开关管S1(L)的源极、第六开关管S2(L)的漏极连接；第七开关管S3(L)的源极与第八开关S4(L)的漏极连接，第八开关管S4(L)的源极连接第四负向供电电源UG，off4。
所述的第二驱动电阻电路包括第三、四驱动电阻RG，on(L)、RG，off(L)；、第三、四二极管D1(L)、D2(L)；所述第三驱动电阻RG，on(L)的一端连接第三二极管D1(L)的阳极；第四二极管D2(L)的阳极连接第四驱动电阻RG，off(L)的一端；第三驱动电阻D1(L)的另外一端与第七开关管S3(L)的源极、第八开关管S4(L)的漏极、第四二极管D2(L)的阴极连接；第四驱动电阻D2(L)的另外一端与第三二极管D1(L)的阴极。
所述第二低阻抗回路包括第二电容C1(L)和第六二极管D3(L)，所述第二电容C1(L)的一端与第三二极管D1(L)的阴极、第四驱动电阻RG，off(L)的另外一端、下管的栅极连接，第二电容C1(L)的另外一端连接第六二极管D3(L)的阴极，第六二极管D3(L)的阳极连接下管的源极
如图3所示，一种变关断负压的SiC MOSFET桥臂串扰抑制驱动电路的控制方法，以上桥臂为例，在下管开通前，上管的驱动电路中第二开关管S2(H)和第三开关管S3(H)同时导通，第一负向供电电源UG，off1加在上管的栅源两端，此时上管的栅源电压为较大负电压，下管开通瞬间，上管栅源极间出现正向串扰电压，与之前较大负电压相互叠加，正向串扰电压得到抑制；在下管导通期间，上管驱动电路中第二开关管S2(H)和第四开关管S4(H)同时导通，其余开关管均保持关断状态，第二负向供电电源UG，off2加在上管的栅源两端，此时上管的栅源电压为正常关断负压；在下管关断瞬间，上管的栅源极间会出现负向串扰电压，第五二极管D3(H)和第一电容C1(H)组成低阻抗回路起箝位作用，保证上管的栅源电压不超过SiCMOSFET最大允许栅源极负偏压。下桥臂同理。
如图4所示t1时刻上桥臂第一开关管S1(H)开通、第三开关管S3(H)开通，上桥臂第二开关管S2(H)、第四开关管S4(H)关断，给上桥臂SiC MOSFET的栅极施加第一正向供电电源UG，on1，上桥臂SiC MOSFET开始导通，此时下桥臂第六开关管S2(L)、第七开关管S3(L)处于导通状态，下桥臂SiC MOSFET的栅极电压为较大负电压，抑制了由桥臂串扰引起的桥臂直通现象；t2时刻下桥臂第七开关管S3(L)关断、第八开关管S4(L)开通，上下桥臂驱动电路中的其他开关管状态不变，下桥臂SiC MOSFET的栅极电压变为正常关断负压；t3时刻，上桥臂第一开关管S1(H)关断、第二开关管S2(H)开通，其他开关管状态不变，给上桥臂SiC MOSFET的栅极施加第一负向供电电源UG，off1，上桥臂SiC MOSFET开始关断，此时上桥臂SiC MOSFET的栅极电压为较大负电压；经过一段死区时间后，t4时刻下桥臂第五开关管S1(L)、第七开关管S3(L)开通，下桥臂第六开关管S2(L)、第八开关管S4(L)关断，其他开关管状态不变，给下桥臂SiCMOSFET器件的栅极施加第二正向供电电源UG，on2，下桥臂SiC MOSFET开始导通，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；t5时刻上桥臂第三开关管S3(H)关断、第四开关管S4(H)开通，其他开关管状态不变，给上桥臂SiC MOSFET的栅极施加第二负向供电电源UG，on2，此时上桥臂SiC MOSFET的关断电压变为正常关断负压；t6时刻下桥臂第五开关管S1(L)关断、第六开关管S2(L)开通，其他开关管状态不变，给下桥臂SiC MOSFET器件的栅极施加第三负向供电电源UG，off3，此时下桥臂SiC MOSFET的关断电压为较大负电压。t7时刻与t1时刻波形相同。
如图5所示，当给上管施加关断信号时，首先给上管施加较大负电压UG，off1，经过一段时间后，给上管施加正常关断负压UG，off2，由于桥臂电路需要设置一定的死区时间，当下管开通瞬间，上管栅源电压仍为较大负电压，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，本发明对各种能的组合方式不再另行说明。

Claims (9)

1.一种变关断负压的SiCMOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，该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电压图腾柱结构电路、第二电压图腾柱结构电路、第一驱动电阻电路和上管；所述第一电压图腾柱结构电路的输出端与第二电压图腾柱结构电路的输入端连接；第二电压图腾柱结构电路的输出端连接第一驱动电阻电路的输入端，第一驱动电阻电路的输入端连接上管的栅极，该上桥臂还包括第一低阻抗回路，所述第一低阻抗回路的一端连接上管的栅极，另外一端连接上管的源极；
所述下桥臂包括第三电压图腾柱结构电路、第四电压图腾柱结构电路、第二驱动电阻电路和下管；所述第三电压图腾柱结构电路的输出端与第四电压图腾柱结构电路的输入端连接；第四电压图腾柱结构电路的输出端连接第二驱动电阻电路的输入端，第二驱动电阻电路的输出端连接下管的栅极该上桥臂还包括第二低阻抗回路，所述第二低阻抗回路的一端连接下管的栅极，另外一端连接下管的源极，上管的源极连接下管的漏极。
2.根据权利要求1所述的一种变关断负压的SiCMOSFET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包括第一、二开关管，第一正、负向供电电源；第一开关管的漏极连接第一正向供电电源，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极，第二开关管的源极连接第一负向供电电源，第一开关管的源极为第一电压图腾柱结构电路的输出端；所述第二电压图腾柱结构电路包括第三、四开关管和第二负向供电电源；第三开关管的漏极与第一开关管的源极连接；第三开关管的源极与第四开关管的漏极连接，第四开关管的源极连接第二负向供电电源，第三开关管的源极为第二电压图腾柱结构电路的输出端。
3.根据权利要求2所述的一种变关断负压的SiCMOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，其特征在于，所述的第一驱动电阻电路包括第一、二驱动电阻、第一、二二极管；所述第一驱动电阻的一端连接第一二极管的阳极；第二二极管的阳极连接第二驱动电阻的一端；第一驱动电阻的另外一端与第二二极管的阴极连接；第二驱动电阻的另外一端与第一二极管的阴极连接；第二二极管的阴极为第一驱动电阻电路的输入端，第一二极管的阴极为第一驱动电阻电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种变关断负压的SiCMOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，其特征在于，所述第一低阻抗回路包括第一电容和第五二极管，所述第一电容的一端与上管的栅极连接，第一电容的另外一端连接第五二极管的阴极，第五二极管的阳极连接上管的源极。
5.根据权利要求1所述的一种变关断负压的SiCMOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，其特征在于，所述第三电压图腾柱结构电路包括第五、六开关管、第二正向供电电源和第三负向供电电源，所述第五开关管的漏极连接第二正向供电电源，第五开关管的源极连接第六开关管的漏极，第六开关管的源极连接第三负向供电电源，第五开关管的源极为第三电压图腾柱结构电路的输出端；所述第四电压图腾柱结构电路包括第七、八开关管和第四负向供电电源；第七开关管的漏极与第五开关管的源极连接；第七开关管的源极与第八开关管的漏极连接，第八开关管的源极连接第四负向供电电源，第七开关管的源极为第四电压图腾柱结构电路的输出端。
6.根据权利要求5所述的一种变关断负压的SiCMOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，其特征在于，所述的第二驱动电阻电路包括第三、四驱动电阻、第三、四二极管；所述第三驱动电阻的一端连接第三二极管的阳极；第四二极管的阳极连接第四驱动电阻的一端；第三驱动电阻的另外一端与第四二极管的阴极连接；第四驱动电阻的另外一端连接第三二极管的阴极，第四二极管的阴极为第二驱动电阻电路输入端，第三二极管的阴极为第二驱动电阻电路输出端。
7.根据权利要求1所述的一种变关断负压的SiCMOSFET桥臂串扰抑制驱动电路，其特征在于，所述第二低阻抗回路包括第二电容和第六二极管，所述第二电容的一端与下管的栅极连接，第二电容的另外一端连接第六二极管的阴极，第六二极管的阳极连接下管的源极。
8.根据权利要求2所述的一种变关断负压的SiCMOSFET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，上管的第二开关管与第三开关管同时导通，第一负向供电电源加在上管的栅源两端，下管的开通瞬间，上管的栅源极出现正向串扰电压，与之前上管的负向电压相互叠加，抑制正向串扰电压；
下管开通后，上管的第二开关管与第四开关管同时导通，第二负向供电电源加在上管的栅源两端，为正常的关断负压，下管瞬间关断，第一低阻抗回路抑制上桥臂负向串扰电压。
9.根据权利要求5所述的一种变关断负压的SiCMOSFET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，下管的第六开关管与第七开关管同时导通，第三负向供电电源加在下管的栅源两端，上管的开通瞬间，下管的栅源极出现正向串扰电压，与之前下管的负向电压相互叠加，抑制正向串扰电压；
上管开通后，下管的第六开关管与第八开关管同时导通，第四负向供电电源加在下管的栅源两端，为正常的关断负压，上管瞬间关断，第二阻低抗回路抑制下桥臂负向串扰电压。
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