CN109672336B - 一种SiC MOSFET门极辅助电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种SiC MOSFET门极辅助电路，其包括栅源回路和旁通支路；所述栅源回路包括于SiC MOSFET的门极与源极之间依次串接的栅极电阻、电压源单元以及串联电阻；所述电压源单元包括反向并接的两直流电压源，各直流电压源分别串接一控制开关；所述旁通支路包括相串接的辅助电容和三极管单元，所述三极管单元包括两个反并联的三极管；辅助电容一端即旁通支路的一端，其连接在SiC MOSFET的门极与栅源回路的连接线上；两三极管的集电极连接辅助电容的另一端，各三极管的基极与发射极相连，且两三极管各自相连的基极与发射极分别连接在串联电阻的两端上。利用本发明可抑制串联扰动，保证器件开断速度。

Description

一种SiC MOSFET门极辅助电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种可应用于串联扰动抑制的SiC MOSFET门极辅助电路。
背景技术
以碳化硅(Silicon Carbide，SiC)MOSFET为首的宽禁带半导体具有更快的开断速度，更高的正向耐压，更低的散热需求，并且具有一定的反向耐压能力(第一代SiC MOSFET可承受-5V，第二代SiC MOSFET可承受-10V)，在一些需求高密度功率的场合具有广阔的前景。但是，伴随着更高的开断速度，原本电路中存在的寄生参数变得更加敏感，虽然依靠新的PCB制作工艺以及封装技术可以有效地减少寄生参数的大小，但是SiC MOSFET也依然面临着串联扰动的风险。
目前，许多学者针对串联扰动产生原理，对串扰抑制展开了研究，抑制方法主要归类为两种：一种是栅极阻抗控制、另一种是栅极电压控制。其中，栅极阻抗控制虽然能抑制过冲与震荡，但同时会降低器件的开断速度，这种结果与SiC MOSFET高开断速度的特点相违背，需要一定的改进措施。有些文献提出了一种反馈控制方式，使辅助电容仅在过冲阶段接入电路，这种方法削弱了栅极阻抗控制的弊端，但需要额外的控制模块。栅极电压控制是在Cgs两端接入负向电压来抑制串联扰动中的正压尖峰，这种方法又分为直接接入额外电压源、有源电路、无源电路以及箝位电路。有些文献提出一种RCD电平移位器，利用电阻串联电路分压以及电容储能来为Cgs提供负压，但是在电容充、放电时不可避免的会降低开断频率，增大开断损耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种SiC MOSFET门极辅助电路，可抑制串联扰动，保证器件开断速度。
本发明采取的技术方案为：一种SiC MOSFET门极辅助电路，包括栅源回路和旁通支路；
所述栅源回路包括于SiC MOSFET的门极与源极之间依次串接的栅极电阻、电压源单元以及串联电阻；所述电压源单元包括反向并接的两直流电压源，各直流电压源分别串接一控制开关；
所述旁通支路包括相串接的辅助电容和三极管单元，所述三极管单元包括两个反并联的三极管；辅助电容一端即旁通支路的一端，其连接在SiC MOSFET的门极与栅源回路的连接线上；两三极管的集电极连接辅助电容的另一端，两三极管的基极相连、发射极相连，且两三极管的基极和发射极分别连接在串联电阻的两端上。
本发明在应用时，两直流电压源可为SiC MOSFET提供开通及关断所需电压，旁通支路可实现SiC MOSFET应用在桥式电路时的串联扰动抑制。不同直流电压源的接入，在控制SiC MOSFET导通或关断的同时，可实现尖峰电压发生时旁通支路中不同三极管的导通，从而改变辅助电容的接入状态，实现对正、负压尖峰的抑制，以及通过储能或放电加速SiCMOSFET的开断。
本发明的SiC MOSFET门极辅助电路，可应用于桥式电路中，桥式电路包括多个SiCMOSFET，各SiC MOSFET分别串接于桥式电路中各依次相邻接的桥臂中；各SiC MOSFET的门极与源极之间设有所述门极辅助电路。
优选的，电压源单元中，两直流电压源串接的控制开关以推挽方式接入，方便驱动负压的产生与控制。
优选的，三极管单元中，两三极管分别为NPN三极管和PNP三极管，NPN三极管的基极与PNP三极管的基极相连后连接在串联电阻与电压源单元的连接线路上，NPN三极管的发射极与PNP三极管的发射极相连后连接在串联电阻与SiC MOSFET源极的连接线路上。当尖峰电压发生时，不同直流电压源的接入使得串联电阻上的压降在左正右负与左负右正之间变化，则相应的三极管发生正偏导通，为电压尖峰提供一个旁路通道，从而抑制电压尖峰。
优选的，辅助电容的电容值大于SiC MOSFET器件封装上的寄生电容。可保证辅助电容上的电压稳定，同时可对回路寄生电感进行解耦，消除寄生电感的影响。
优选的，SiC MOSFET的门极驱动电路包括栅极内阻、栅极内阻与栅极电阻之间线路的寄生电感，以及栅极电阻。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点和进步：
1、通过串联电阻以及三极管控制辅助电容的接入状态，以控制旁通支路的导通状态，从而抑制串联扰动产生的栅极电压尖峰；
2、本发明利用三极管来控制辅助电容的接入、接出，以达到在有效控制的同时减小电路控制的复杂程度；
3、辅助电容仅在栅极电压尖峰出现时接入电路，而在开通和关断过程中不会接入，从而不会影响SiC MOSFET的开通与关断速度；
4、辅助电容在抑制串扰的同时，也会在电路正常工作时储存能量，可加速器件的开通或关断；
5、两个三极管依靠同一个电阻上的压降控制导通切换，减少了栅源回路中电阻的个数，减小了回路阻抗。
附图说明
图1所示为本发明SiC MOSFET门极辅助电路的一种应用例电路结构示意图；
图2(a)-图2(d)所示为图1所示应用例的工作原理示意图；
图3(a)、图3(b)所示为栅极电压实验波形示意图；
图4(a)、图4(b)所示为串联扰动与辅助电容电流波形示意图；
图5(a)、图5(b)所示为SiC MOSFET器件开关时的电容电压和电容波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
本发明在先前学者研究的基础上提出一种新型的栅极辅助电路。发明思路为：首先，该电路利用在三极管基极和发射极之间并联电阻来控制辅助电容的接入与接出，从而在尽量降低对开断时间影响的基础上，降低控制的复杂程度；其次，辅助电容会在Cgs放电的时候进行储能，并在Cgs进行充电的时候放电，加速器件的开断。
参考图1，本发明SiC MOSFET门极辅助电路，包括栅源回路和旁通支路；
所述栅源回路包括于SiC MOSFET的门极与源极之间依次串接的栅极电阻、电压源单元以及串联电阻；所述电压源单元包括反向并接的两直流电压源，各直流电压源分别串接一控制开关；
所述旁通支路包括相串接的辅助电容和三极管单元，所述三极管单元包括两个反并联的三极管；辅助电容一端即旁通支路的一端，其连接在SiC MOSFET的门极与栅源回路的连接线上；两三极管的集电极连接辅助电容的另一端，两三极管的基极相连、发射极相连，且两三极管的基极和发射极分别连接在串联电阻的两端上。
本发明在应用时，两直流电压源可为SiC MOSFET提供开通及关断所需电压，旁通支路可实现SiC MOSFET应用在桥式电路时的串联扰动抑制。不同直流电压源的接入，在控制SiC MOSFET导通或关断的同时，可实现尖峰电压发生时旁通支路中不同三极管的导通，从而改变辅助电容的接入状态，实现对正、负压尖峰的抑制，以及通过储能或放电加速SiCMOSFET的开断。
实施例
如图1所示的实施例，为本发明的SiC MOSFET门极辅助电路应用于桥式电路中，桥式电路包括多个SiC MOSFET，各SiC MOSFET分别串接于桥式电路中各依次相邻接的桥臂中；各SiC MOSFET的门极与源极之间设有所述门极辅助电路。
电压源单元中，两直流电压源串接的控制开关以推挽方式接入，分别用于控制量直流电压源的接入。
SiC MOSFET的门极驱动电路包括栅极内阻Rg(in)、栅极内阻Rg(in)与栅极电阻Rg之间线路的寄生电感Lg，以及栅极电阻Rg。
串联扰动抑制部分为辅助电容串联三极管单元，共同并联于栅源回路。三极管单元中，两反并联的三极管分别为NPN三极管和PNP三极管，NPN三极管的基极与PNP三极管的基极相连后连接在串联电阻与电压源单元的连接线路上，NPN三极管的发射极与PNP三极管的发射极相连后连接在串联电阻与SiC MOSFET源极的连接线路上。
辅助电容C的接入控制由串联电阻R上的压降决定。当尖峰电压发生时，不同直流电压源的接入使得串联电阻上的压降在左正右负与左负右正之间变化，则相应的三极管发生正偏导通，为电压尖峰提供一个旁路通道，从而抑制电压尖峰。如当电流通过电阻R形成压降为左正右负时，三极管VT1导通，当形成压降为左负右正时，三极管VT2导通。
辅助电容在串扰发生以及器件开通与关断时，吸收并储存能量，自身带有一定电压，在开通或关断时将加速器件的开通或关断，为了保证辅助电容上的电压稳定，辅助电容取值要远远大于寄生电容，这样也能对回路寄生电感进行解耦，消除寄生电感的影响。
参考图2(a)-图2(d)，以一个期间开断周期为例，分四个阶段并将死区时间考虑在内，阐述本实施例的工作原理如下：
如图2(a)即阶段一：此时上桥臂导通，下桥臂关断。上桥臂中，V1H导通，RH上存在电压右正左负并使VT2H正偏导通，由于三极管的导通特性，电容CH只能由下到上的导通，不会影响V1H对CgsH的充电。CgsH由于上一阶段处于关断阶段，所以存在负向电压，当CH由下而上导通时可为CgsH提供一个放电旁路通道，且假设此时CH电压大于CgsH上的电压，储存在CH的能量也能在导通时放电，加速器件的开通。下桥臂中，由于漏电流的影响，CgdL、CgsL开始充电，由于RL上存在电压左正右负导致三极管VT1L导通，电容CL自上而下导通，为CgsL上流过的漏电流提供一个旁路通道，由于三极管的放大作用，大部分电流将流过CL，从而抑制电容CgsL的正压尖峰。
图2(b)即阶段二：此时上桥臂关断，下桥臂关断。上桥臂中，V2H接入电路，V1H断开，RH上存在电压左正右负使得VT1导通，电容CH自上而下的导通，由于CgsH在关断前存在正向电压，电容CH为其提供了一个放电旁路，且假设此时电容CH电压小于CgsH上的电压，储存在CH的能量也能在导通时放电，加速器件的关断。下桥臂中，在前一阶段储存在CgdL中的能量开始放电，放电电流流过RL形成压降，使VT2L导通，从而使电流流过CL，由于三极管的放大作用，大部分电流将流过CL，从而抑制栅极负压尖峰。
图2(c)即阶段三：此时上桥臂关断，下桥臂导通。下桥臂导通过程可参考阶段一，上桥臂则由于下桥臂的导通发生串联扰动。
图2(d)即阶段四：此时上桥臂关断，下桥臂关断。具体过程参考阶段二，就此一个完整的开断周期就完成了。
上述四个阶段详细的讲述了一个开断周期内辅助电路的工作原理，其中辅助电容C除了完成对正、负压尖峰的抑制外，也可以储存能量加速器件的开通和关断。电容储存的能量即来自正、负压尖峰和开断过程中栅源电容Cgs的放电。
根据本发明提出的门极辅助电路进行同步BUCK降压变换器的搭建，得到栅极电压实验波形如图3所示，图3(a)为不同母线电压对应的栅极负压尖峰波形，图3(b)为不同母线电压对应的栅极正压尖峰波形。
其中当母线电压为800V时，栅极正压尖峰为-1.4V，低于阈值电压1.6V，栅极负压尖峰为-8.2V，高于-10V，均为安全范围。辅助电路开通时间Ton'＝38.12ns，相比较基础开通时间Ton＝33.15ns略微增大了一点，同样对于辅助电路关断时间Toff'＝74.6ns和基础关断时间Toff＝68.9ns而言，也略微增大了一点。
针对辅助电容在门极辅助电路工作时是否正常工作本发明做了如下验证：图4是当器件受到串联扰动的影响时，旁路通道导通，电流iC和栅极电压的波形图；其中图4(a)为栅极正压尖峰与电容电流波形图，图4(b)为栅极负压尖峰与电容电流波形图。由图4可知，当串联扰动发生时，辅助电容C接入电路并有电流通过，证明辅助电容参与了串联扰动的抑制。
图5(a)为器件开通和关断时，触发脉冲电流和辅助电容电流iC的波形图，图5(b)为期间开通和关断时，辅助电容电压与电流iC的波形。图5中，当脉冲触发和关断时辅助电容上有电流通过，证明辅助电容C参与到器件的开通与关断中，并由图5可得，辅助电容C在栅极开通阶段放电，在栅极关断阶充电，加速了器件的开通与关断。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种SiC MOSFET门极辅助电路，其特征是，包括栅源回路和旁通支路；
所述栅源回路包括于SiC MOSFET的门极与源极之间依次串接的栅极电阻、电压源单元以及串联电阻；所述电压源单元包括反向并接的两直流电压源，各直流电压源分别串接一控制开关；
所述旁通支路包括相串接的辅助电容和三极管单元，所述三极管单元包括两个反并联的三极管；辅助电容一端即旁通支路的一端，其连接在SiC MOSFET的门极与栅源回路的连接线上；两三极管的集电极连接辅助电容的另一端，两三极管的基极相连、发射极相连，且两三极管的基极和发射极分别连接在串联电阻的两端上。
2.根据权利要求1所述的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征是，桥式电路包括多个SiCMOSFET，各SiC MOSFET分别串接于桥式电路中各依次相邻接的桥臂中；各SiC MOSFET的门极与源极之间设有所述门极辅助电路。
3.根据权利要求1所述的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征是，电压源单元中，两直流电压源串接的控制开关以推挽方式接入。
4.根据权利要求1所述的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征是，三极管单元中，两三极管分别为NPN三极管和PNP三极管，NPN三极管的基极与PNP三极管的基极相连后连接在串联电阻与电压源单元的连接线路上，NPN三极管的发射极与PNP三极管的发射极相连后连接在串联电阻与SiC MOSFET源极的连接线路上。
5.根据权利要求1所述的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征是，辅助电容的电容值大于SiC MOSFET器件封装上的寄生电容。
6.根据权利要求1所述的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征是，SiC MOSFET的门极驱动电路包括栅极内阻、栅极内阻与栅极电阻之间线路的寄生电感，以及栅极电阻。
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