CN109818599A - 一种电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路，包括：驱动推挽电路、驱动电阻、采样电路、脉冲产生电路和驱动电压补偿电路，其中，采样电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容，脉冲产生电路包括第一比较器、第二比较器，第一逻辑与门，驱动电压补偿电路包括第五电阻、第六电阻，第一开关管，第二开关管，第一二极管。本发明实施例的有源驱动电路通过采样电路检测驱动脉冲使得脉冲产生电路在SiC MOSFET关断过程的漏极电流下降阶段产生补偿信号，经过驱动电压补偿电路，对门极电压进行补偿，以抬升门极电压，抑制电流的变化率，从而抑制SiC MOSFET两端的电压尖峰和振荡。

Description

一种电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路。

背景技术

传统硅器件在变换器中应用已经达到了硅材料的极限，这成为开关变换器追求高稳定性、高效、高频和高功率密度发展的瓶颈。在过去十年中，碳化硅器件得到快速的发展，由于碳化硅器件相对硅器件具有更高的电压阻断能力，更好的耐热性能，更低的导通电阻和更快的开关性能，因而被广泛应用在开关变换器中。由于线路中固有的引线电感，碳化硅器件更快的开关速度会使功率器件两端具有较高的电压尖峰和振荡。功率器件两端的电压尖峰和振荡不仅会加剧系统的电磁干扰同时会破坏系统的稳定性。同时严重的EMI辐射会干扰控制电路和保护电路，导致控制电路稳定性下降。因此有效的抑制碳化硅功率器件两端的电压尖峰和振荡，是充分利用碳化硅器件优势特性急需解决的问题。

针对这个问题，现有的技术主要为以下几种。一方面，可以通过优化PCB布局，减小线路的杂散电感进行抑制，这种方法对电子电路的硬件设计知识要求较高；另一方面，栅极电阻的增加可以减小甚至消除这种情况，但是驱动电阻的增加，使得开关速度减缓，增加了开关损耗，不适合在高频变换器中使用；另外缓冲电路和有源钳位也可以有效的抑制电压尖峰和振荡，但是功率电路中附加的电容器或电感器等元器件会增加功率电路侧的损耗，使得功率变换器的损耗增加。综上可知，以上方法虽然在一定程度上能够抑制电压尖峰振荡，但是开关损耗的增加是巨大的，不能充分展现SiC MOSFET器件的优势。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明所提供的电压注入型有源驱动能够在增加开关损耗较小的前提下有效抑制关断过程的电压尖峰和振荡，解决因SiC MOSFET漏源极电压尖峰和振荡造成的电磁干扰，充分展现SiC MOSFDET器件的优势。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路，包括：驱动推挽电路、驱动电阻、采样电路、脉冲产生电路和驱动电压补偿电路。

其中，所述驱动电阻R_g的一端经过第一节点与所述驱动推挽电路串联，所述驱动电阻R_g的另一端与所述SiC MOSFET的栅极相连；

所述采样电路包括第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第一电容C₁和第二电容C₂，其中，所述第一电阻R₁的一端经过第二节点与所述第二电阻R₂的一端串联，所述第一电阻R₁的另一端与所述第一节点相连，所述第二电阻R₂另一端接地，所述第三电阻R₃的一端经过第三节点与所述第四电阻R₄串联，所述第三电阻R₃的另一端接地，所述第四电阻R₄的另一端接地，所述第一电容C₁的一端与所述第二节点相连，所述第一电容C₁的另一端接地，所述第二电容C₂的一端与所述第三节点相连，所述第二电容C₂的另一端接地；所述脉冲产生电路包括第一比较器comp1、第二比较器comp2和第一逻辑与门and1，其中，所述第一比较器comp1的输出端和所述第二比较器comp2的输出端分别连接至所述第一逻辑与门and1的输入端，所述第一比较器comp1从正极输入端与所述第二节点相连，所述第一比较器comp1的负极输入的参考电压为第一预设电压，所述第二比较器comp2的负极输入与所述第三节点相连，所述第二比较器comp2的正极输入端的参考电压为第二预设电压；

所述驱动电压补偿电路包括第五电阻R₅、第六电阻R₆、第一开关管M₁、第二开关管M₂和第一二极管D₁，其中，所述第一开关管M₁的栅极与所述第一逻辑与门and1的输出端相连，所述第一开关管M₁的源极接地，所述第一开关管M₁的地漏极与第四节点相连，所述第五电阻R₅一端与所述第四节点相连，所述第五电阻R₅另一端与预设供电电压相连，所述第二开关管M₂的栅极与所述第四节点相连，所述第二开关管M₂的源极与所述预设供电电压相连，所述第二开关管M₂的漏极与所述第六电阻R₆的一端相连，所述第六电阻R₆的另一端与所述第一二极管D₁的正极相连，所述第一二极管D₁的另一端与所述SiC MOSFET的栅极相连。

本发明实施例的电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路，通过采样电路检测驱动脉冲使得脉冲产生电路在SiC MOSFET关断过程的漏极电流下降阶段产生补偿信号，经过驱动电压补偿电路，对门极电压进行补偿，以抬升门极电压，抑制电流的变化率，从而抑制SiCMOSFET两端的电压尖峰和振荡，解决因SiC MOSFET漏源极电压尖峰和振荡造成的电压尖峰和振荡。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面的优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路的结构示意图；

图2为基于传统驱动推挽电路构成的传统驱动电路的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的推挽驱动电路的示意图；

图4为传统驱动电路应用在感性斩波电路中的示意图；

图5为根据本发明一个实施例的电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路应用在感性斩波电路中的示意图；

图6为感性斩波电路中基于传统驱动电路的实验波形；

图7为根据本发明一个实施例的感性斩波电路中基于一种电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路的实验波形。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路。

图1是本发明一个实施例的电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路的结构示意图。

如图1所示，该电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路包括：驱动推挽电路、驱动电阻、采样电路、脉冲产生电路和驱动电压补偿电路。

其中，驱动推挽电路经过第一节点①与驱动电阻R_g的一端串联连接，驱动电阻R_g的另一端连接至SiC MOSFET的栅极。也就是说，驱动推挽电路通过驱动电阻R_g连接至SiCMOSFET的栅极。

采样电路包括第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第一电容C₁、第二电容C₂，其中，第一电阻R₁的一端与第二电阻R₂的一端经第二节点②串联连接，并且第二电阻R₂的另一端接至地端，第一电阻R₁的另一端与第一节点①相连，第一电容C₁与第二电阻R₂进行并联连接，第三电阻R₃的一端和第四电阻R₄的一端经第三节点③串联连接并由第四电阻R₄的另一端接至地端，第三电阻R₃的另一端与第一节点①相连，第二电容C₂与第四电阻R₄进行并联连接。

脉冲产生电路包括第一比较器comp1、第二比较器comp2，第一逻辑与门and1，其中，第一比较器comp1的输出端和第二比较器comp2的输出端分别连接至第一逻辑与门and1的输入端；第一比较器从comp1的正极输入端与第二节点②相连，第一预设电压vref1为第一比较器comp1的负极输入的参考电压；第二比较器comp2的负极输入与第三节点③相连，第二预设电压vref2为第二比较器comp2正极输入的参考电压。

驱动电压补偿电路包括第五电阻R₅、第六电阻R₆，第一开关管M₁，第二开关管M₂，第一二极管D₁，其中，第一开关管M₁为N沟道小功率MOS管，第二开关管M₂为P沟道小功率MOS管，第一开关管M₁的栅极与第一逻辑与门的输出端相连，第一开关管M₁的源极与地相连，开关管的地漏极与第四节点④相连，第五电阻R₅的一端与第四节点④相连，第五电阻R₅的另一端与预设供电电压VCC相连，第二开关管的栅极与第四节点④相连，第二开关管的源极与预设供电电压VCC相连，第二开关管的漏极与第六电阻R₆的一端相连，第六电阻的另一端与第一二极管D₁的正极相连，第一二极管D₁的另一端与SiC MOSFET的栅极相连。其中，第一二极管D₁的正极、SiC MOSFET的栅极和驱动电阻R_g的另一端均与第五节点⑤相连。

本发明实施例在传统驱动电路技术的基础上实现的，其中，传统驱动电路如图2所示，SiC MOSFET为被动元件，传统驱动推挽电路经驱动阻R_g在作用在SiC MOSFET的栅极，进而在此基础上提出一种电压注入型SiC MOFET有源驱动电路，在SiC MOSFET关断过程漏极电流下降阶段对驱动门极电压进行控制，以抑制因SiC MOSFET速度过快而在SiC MOSFET漏源极电压尖峰和振荡过大的问题，解决因SiC MOSFET漏源极电压尖峰和振荡成的电磁干扰和稳定性问题。

下面将通过具体实施例对电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路进行进一步阐述。

进一步地，在本发明的一个实施例中，推挽驱动电路的供电电压等于预设供电电压VCC。其中，推挽驱动电路也可以使用成熟的驱动芯片代替，本领域技术人员可以根据实际情况具体选择，在此不做具体限定。并如图3所示，为传统推挽电路的示意图，并不指代具体电路。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一电阻R₁的阻值和第三电阻R₃的阻值相等，第二电阻R₂的阻值和第四电阻R₄的阻值相等。第一电容C₁和第二电容C₂组成延时电路，用于调整脉冲的宽度、起始位置和结束位置，以使得脉冲在关断过程和SiC MOSFET漏极电流的下降阶段产生。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一比较器comp1和第二比较器comp2均为MAX9203ESA。当然，第一比较器comp1和第二比较器comp2也可以采用其他型号的比较器，在此仅作为示例，不做具体限定。其中，在本发明的一个实施例中，第一比较器和第二比较器的供电电压均为正5V，另外，第一逻辑与门可以采用74HC08，供电电压为+5V，当然，第一逻辑与门也可以采用其他型号的与门，在此仅作为示例，不做具体限定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一预设电压vref1大于零，第二预设电压vref2小于第二节点②的电压。

具体的，第一比较器comp1的负极参考电压vref1是一个略大于零的正值，比较器2的正极输入参考电压vref2，略小于第二节点②的电压值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一开关管M₁为N沟道小功率MOS管，第二开关管M₂为P沟道小功率MOS管。

可以理解的是，脉冲产生电路中的第一开关管M₁和第二开关管M₂均为小功率快速MOSFET，其中第二开关管M₂栅源电压的耐压值根据VCC的值而定，其中VCC的值等于推挽驱动电路的供电电压。例如，第一开关管M₁可以采用英飞凌型号BSS214N的MOSFET，第二开关管M₂可以采用英飞凌型号为BSS215P的MOSFET。

具体的，有源驱动电路可以适用于负压关断的SiC MOSFET或者非负压关断的SiCMOSFET。另外，有源驱动电路同样也适用于Si MOSFET或者IGBT。

本发明实施例提供的一种电压注入型有源驱动电路能够抑制SiC MOSFET漏源极电压尖峰和振荡，是基于上述电路实现的，具体工作原理为：

当SiC MOSFET关断时，采样电路对驱动脉冲的下降沿进行采样，经采样电阻分压后的电位位于vref1和vref2之间时，脉冲产生电路中的第一比较器comp1输出电位为高点平，第二比较器comp2的输出电压亦为高电平，故逻辑与门and1的输出电位为5V的高电平；

当逻辑与门and1产生正5V的窄脉冲时，第一开关管M₁导通，供电电压VCC经第五电阻R₅和第一开关管M₁形成回路，第五电阻R₅两端因为有电流流过而形成的电压降，电压降的存在使得第二开关管M₂导通，供电电压VCC经第二开关管M₂、第六电阻R₆和第一二极管D₁作用在SiC MOSFET的栅极，使得SiC MOSFET的电压被抬升，来抑制SiC MOSFET电流的变化率，从而抑制SiC MOSFET关断过程的电压尖峰和振荡。

图4为传统驱动电路应用在感性斩波电路中，图6为图4直流母线电压工作在200V时实验中的实验波形，漏源极电压波形具有较大的电压尖峰和振荡；图5为所发明的一种电压源有源驱动电路应用在感性斩波电路中，图7为图5直流母线电压为200V时的实验波形，本发明所提供的有源驱动电路相对传统驱动电路有效的抑制了SiC MOSFET漏源极的电压尖峰和振荡。

综上，本发明实施例的电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路，具体属于在SiCMOSFET关断过程电流下降阶段注入电压以抬升门极电压进而抑制SiC MOSFET关断过程漏源极电压尖峰和振荡驱动技术领域。本发明实施例的目的在于抑制因SiC MOSFET过快的开关速度使得漏源极具有较大的较大电压尖峰和振荡，提供一种电压注入性SiC MOSFET有源驱动电路，能够有效的抑制SiC MOSFET漏源极的电压尖峰和振荡，解决因SiC MOSFET漏源极电压尖峰和振荡成的电磁干扰和稳定性问题。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路，其特征在于，包括：驱动推挽电路、驱动电阻、采样电路、脉冲产生电路和驱动电压补偿电路。

2.根据权利要求1所述的一种电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路，其特征在于，所述驱动电阻R_g的一端经过第一节点与所述驱动推挽电路串联，所述驱动电阻R_g的另一端与所述SiC MOSFET的栅极相连。

3.根据权利要求1所述的一种电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路，其特征在于，所述采样电路包括第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第一电容C₁和第二电容C₂，其中，所述第一电阻R₁的一端经过第二节点与所述第二电阻R₂的一端串联，所述第一电阻R₁的另一端与所述第一节点相连，所述第二电阻R₂另一端接地，所述第三电阻R₃的一端经过第三节点与所述第四电阻R₄串联，所述第三电阻R₃的另一端接地，所述第四电阻R₄的另一端接地，所述第一电容C₁的一端与所述第二节点相连，所述第一电容C₁的另一端接地，所述第二电容C₂的一端与所述第三节点相连，所述第二电容C₂的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的一种电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路，其特征在于，所述脉冲产生电路包括第一比较器comp1、第二比较器comp2和第一逻辑与门and1，其中，所述第一比较器comp1的输出端和所述第二比较器comp2的输出端分别连接至所述第一逻辑与门and1的输入端，所述第一比较器comp1的正极输入端与所述第二节点相连，所述第一比较器comp1的负极输入的参考电压为第一预设电压，所述第二比较器comp2的负极输入端与所述第三节点相连，所述第二比较器comp2的正极输入端的参考电压为第二预设电压。

5.根据权利要求1所述的一种电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路，其特征在于，所述驱动电压补偿电路包括第五电阻R₅、第六电阻R₆、第一开关管M₁、第二开关管M₂和第一二极管D₁，其中，所述第一开关管M₁的栅极与所述第一逻辑与门and1的输出端相连，所述第一开关管M₁的源极接地，所述第一开关管M₁的漏极与第四节点相连，所述第五电阻R₅一端与所述第四节点相连，所述第五电阻R₅另一端与预设供电电压相连，所述第二开关管M₂的栅极与所述第四节点相连，所述第二开关管M₂的源极与所述预设供电电压相连，所述第二开关管M₂的漏极与所述第六电阻R₆的一端相连，所述第六电阻R₆的另一端与所述第一二极管D₁的正极相连，所述第一二极管D₁的另一端与所述SiC MOSFET的栅极相连。

6.根据权利要求1所述一种的电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路，其特征在于，所述SiC MOSFET为负压关断的SiC MOSFET或非负压关断的SiC MOSFET。

7.根据权利要求1所述的一种电压注入型SiC MOSFET有源驱动电路，其特征在于，所述有源驱动电路同样也适用于Si MOSFET或者IGBT。