CN109842279B - 一种SiC MOSFET开环主动驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于电路控制技术领域，尤其涉及一种SiC MOSFET开环主动驱动电路。该电路包括传统驱动电路，还包括辅助电路，所述辅助电路包括di/dt检测电路和分流电路；所述di/dt检测电路用于判断SiC MOSFET的开通和关断阶段，并将判断得到的信号传输至分流电路；所述分流电路通过di/dt检测电路的信号对SiC MOSFET的栅极电流进行分流。本发明提供一种SiC MOSFET开环主动驱动电路，该电路在传统SiC MOSFET驱动电路后加入了分流电路和di/dt检测电路，缩短了开关延时时间，降低了开关损耗，且主动驱动电路为开环操作，降低了系统的成本和复杂性。

Description

一种SiC MOSFET开环主动驱动电路

技术领域

本发明属于电路控制技术领域，尤其涉及一种SiC MOSFET开环主动驱动电路。

背景技术

高功率密度、高效率与高可靠性是目前电力电子技术的发展趋势。SiC MOSFET作为宽禁带半导体器件，具有开关速度快、总损耗低、击穿电压高和导热率高的特点，已经在新能源、电机驱动、混动和电动汽车控制器等领域中得到了广泛的应用。

虽然SiC MOSFET具有多项优势，但其在高速开关时会产生许多问题。一方面，SiCMOSFET高速开关时的di/dt，经过电路寄生电感后产生过电压与过电流，造成电磁干扰；另一方面，过电压与过电流需要更高的器件裕量，造成成本的提高。

降低过电压与过电流的方法主要是降低开关速度。一般通过增大栅极电阻或者并联栅源极电容延缓电流的上升和下降时间，但无法对开关阶段独立控制，增加了开关延时和米勒平台时间，SiC MOSFET会产生更大的开关损耗，影响转换器的效率。另外，添加额外的缓冲电路可以显著降低关断过电压，但无法降低开通过电流，同时缓冲电路需要的高压器件，会带来较大的附加损耗。

此外，可以通过驱动电路控制各开关阶段的栅极电流，对di/dt和du/dt进行独立调节。多电平控制法通过改变不同阶段的驱动电压控制开关速度，使用多个驱动电源串联或电阻分压网络产生所需驱动电压，但该方法电路复杂，驱动电源效率低，在高开关频率时会产生较大的驱动级损耗。多驱动电阻控制法通过改变不同阶段的驱动电阻值控制开关速度，在延时阶段、电流上升阶段与米勒平台阶段投切电阻控制开关速度，每一条并联支路都含有一个双向开关，但由于SiC MOSFET的开关过程短暂，需要为双向开关增加更快速的驱动电路。此外，多驱动电阻控制法一般采用CPLD/FPGA闭环控制，增加了系统的成本和复杂性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种SiC MOSFET开环主动驱动电路，该电路在传统SiC MOSFET驱动电路后加入了分流电路和di/dt检测电路，缩短了开关延时时间，降低了开关损耗，且主动驱动电路为开环操作，降低了系统的成本和复杂性。

(二)技术方案

一种SiC MOSFET开环主动驱动电路，包括传统驱动电路、SiC MOSFET和外接电源，还包括辅助电路，所述辅助电路包括di/dt检测电路和分流电路；

所述辅助电路电源由传统驱动电路提供；

所述di/dt检测电路用于判断SiC MOSFET的开通和关断阶段，并将判断得到的信号传输至分流电路；

所述分流电路通过di/dt检测电路的信号对SiC MOSFET的栅极电流进行分流。

进一步地，所述分流电路包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括第一开关管Q₁和第一电阻R_x1，所述下桥臂包括第二开关管Q₂和第二电阻R_x2；

其中，第一开关管Q₁的第一端连接分流电路的电源V_cc，第二端连接第一电阻R_x1的第一端，第一电阻R_x1的第二端连接第二电阻R_x2的第一端，第二电阻R_x2的第二端连接第二开关管Q₂的第一端，第二开关管Q₂的第二端连接分流电路的电源V_ee。

进一步地，所述第一电阻R_x1的第二端还与SiC MOSFET栅极连接。

进一步地，所述第一开关管Q₁为PMOS管，所述第二开关管Q₂为NMOS管。

进一步地，所述di/dt检测电路包括第一比较器U₁和第二比较器U₂；

所述第一比较器U₁和第二比较器U₂均包括+输入端、-输入端和输出端；

第一比较器U₁的-输入端和第二比较器U₂的-输入端均与SiC MOSFET的主源极连接；

第一比较器U₁的输出端与第一开关管Q₁的第三端连接；

第二比较器U₂的输出端与第二开关管Q₂的第三端连接。

进一步地，所述第一比较器U₁的+输入端预先设置比较电压+V_ON，所述第二比较器U₂的+输入端预先设置比较电压-V_ON。

进一步地，当di/dt检测电路检测到SiC MOSFET源极电感的感应电压高于第一比较器U₁的比较电压+V_ON时，第一比较器U₁的输出端输出低电平并控制第一开关管Q₁导通；

当di/dt检测电路检测到SiC MOSFET源极电感的感应电压低于第二比较器U₂的比较电压-V_ON时，第二比较器U₂的输出端输出高电平并控制第二开关管Q₂导通。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明提出一种SiC MOSFET开环主动驱动电路以降低过电压与过电流。该电路在现有传统SiC MOSFET驱动电路基础上附加一个辅助电路(分流电路和di/dt检测电路)，此辅助电路无需额外电源及驱动，结构简单易于实现。

利用SiC MOSFT源极中寄生电感的感应电压测量di/dt，再使用两个比较器判断SiC MOSFET开关过程所处的阶段，然后采用分流法对栅极电流进行调节，分流电路仅在SiCMOSFET工作电流较高时工作，对栅极电流进行分流，减小功率器件电压电流应力，以达到控制电流上升/下降速度的目的；当SiC MOSFET工作在低电流时分流电路不工作，保持快速开关，降低开关损耗。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明的电路图；

图3a为本发明中SiC MOSFET处于开通阶段的波形图；

图3b为本发明中SiC MOSFET处于关断阶段的波形图；

图4a为本发明中驱动电路开通过程的等效电路图；

图4b为本发明中驱动电路开通过程的等效电路图的Y-Δ变换电路图；

图5为本发明电路与传统优化电路的波形图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图2所示，一种SiC MOSFET开环主动驱动电路包括传统驱动电路、分流电路、di/dt检测电路、SiC MOSFET和外接电源。

传统驱动电路包括栅极电阻R_g，ext，栅极电阻R_g,ext与SiC MOSFET与分流电路和SiCMOSFET连接。

分流电路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂包括PMOS管Q₁和第一电阻R_x1，下桥臂包括NMOS管Q₂和第二电阻R_x2，其中，PMOS管Q₁的第一端连接电源Vcc，第二端连接第一电阻R_x1的第一端，第一电阻R_x1的第二端连接第二电阻R_x2的第一端，第二电阻R_x2的第二端连接NMOS管Q₂的第一端，NMOS管Q₂的第二端连接电源Vee。此处，Vcc一般为+20V，Vee一般为-5V。

di/dt检测电路包括第一比较器U₁和第二比较器U₂，第一比较器U₁的-输入端和第二比较器U₂的-输入端均与SiC MOSFET的主源极连接，第一比较器U₁的输出端与PMOS管Q₁的第三端连接，第二比较器U₂的输出端与NMOS管Q₂的第三端连接。优选地，将第一比较器U₁的+输入端设置为比较电压+V_ON，将第二比较器U₂的+输入端设置为比较电压-V_ON。这样设置一方面可以准确设置di/dt检测电路的动作范围，另一方面可以避免电流波动造成分流电路的误动作。

工作原理：

如图3a所示，SiC MOSFET的开通过程可以分为4个阶段：t₀-t₁：开通延时阶段；t₁-t₂：电流上升阶段；t₂-t₃：电压下降阶段；t₃-t₄：饱和导通阶段。

t₀-t₁：开通延时阶段，电流无变化，分流电路关闭。此时使用较小栅极电阻R_g，ext提供更大的驱动电流i_g，缩短开通时间。比较器U₁输出高电平，比较器U₂输出低电平。

t₁-t₂：电流上升阶段，此时漏极电流i_d在源极电感L_s上产生感应电压V_Ls：

感应电压V_Ls方向与主电路的电流方向相反。较大的di/dt会造成SiC MOSFET过电流并产生严重的电磁干扰。当di/dt检测电路检测到源极电感L_s上的感应电压V_Ls低于比较器U₂设定的比较电压-V_on时，即V_Ls<-V_on，比较器U₂的输出端由低电平变为高电平，且比较器U₂输出高电平控制下桥臂的NMOS管Q₂导通。栅极电流通过路径i_g’分流，充电电流下降。

t₂-t₃：电压下降阶段，此时栅极电流保持稳定，分流电路关闭，驱动电流i_g增大，降低电压下降时间，减小开关损耗。比较器U₁输出高电平，比较器U₂输出低电平。

t₃-t₄：饱和导通阶段，栅极电流保持稳定，分流电路关闭，感应电压V_Ls近似为0。比较器U₁输出高电平，比较器U₂输出低电平。

如图3b所示，SiC MOSFET的关断过程可以如下阶段：t₅-t₆：关断延时阶段；t₆-t₇：电压上升阶段；t₇-t₈：电流下降阶段。由于主电路寄生电感L_P的影响，SiC MOSFET关断时会产生过电压V_ov:

其中，i_d表示漏极电流，t表示SiC MOSFET关断时间。

t₅-t₇：关断延时及电压上升阶段，栅极电流保持稳定，分流电路关闭，SiC MOSFET的栅极电容通过电阻R_g，ext，R_g,int快速放电。比较器U₁输出高电平，比较器U₂输出低电平。

t₇-t₈：电流下降阶段，此时漏极电流i_d在源极电感L_s上产生感应电压V_Ls，感应电压V_Ls方向与主电路的电流方向相同。当di/dt检测电路检测到源极电感L_s上的感应电压V_Ls高于比较器U₁设定的比较电压+V_on时，即V_Ls＞+V_on，比较器U₁的输出端由高电平变为低电平，且比较器U₁输出低电平控制上桥臂的PMOS管Q₁导通。栅极电流通过路径i_g”分流，降低栅极放电电流。

本发明的SiC MOSFET开环主动驱动电路可以通过设置栅极电阻R_g，ext、第一电阻R_x1和第二电阻R_x2对开关di/dt检测电路进行精确控制。现以驱动电路开通过程为例，其等效电路如图4a所示，栅极输入电容C_iss＝C_gd+C_gs，其中，C_gd为栅极-漏极电容，C_gs为栅极-源极电容。

在电流上升阶段开始时，栅极输入电容C_iss的电压为阈值电压V_th。如图4b所示，将等效电路进行Y-Δ变换，开关S1,S2闭合，其中：

Vcc通过R₁，Vee通过R₂向，栅极输入电容C_iss充电，栅极电流I_g为：

电流上升斜率为：

栅极电压V_g为：

其中，

电流上升时间t为：

其中，V_milier为米勒电平，V_milier＝V_th+I_d/g_m。

本发明提出一种SiC MOSFET开环主动驱动电路以降低过电压与过电流。该电路在现有传统SiC MOSFET驱动电路基础上附加一个辅助电路(分流电路和di/dt检测电路)，此辅助电路无需额外电源及驱动，结构简单易于实现。同时，本发明驱动电路为开环操作，对辅助电路中的开关不需要控制器闭环控制。

利用主电路中寄生电感的感应电压测量di/dt，再使用两个比较器判断SiCMOSFET开关过程所处的阶段，然后采用分流法对栅极电流进行调节，分流电路仅在SiCMOSFET工作电流较高时工作，对栅极电流进行分流，减小功率器件电压电流应力，以达到控制电流上升/下降速度的目的；当SiC MOSFET工作在低电流时分流电路不工作，保持快速开关，降低开关损耗。如图5所示，本发明相对于传统用于降低过电压与过电流的驱动优化电路(如增大栅极电阻法等)，延迟时间和开关损耗更低。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种 SiC MOSFET 开环主动驱动电路，包括驱动电路、SiC MOSFET 和外接电源，其特征在于，还包括辅助电路，所述辅助电路包括di/dt检测电路和分流电路，辅助电路电源由驱动电路提供；

所述di/dt检测电路用于判断SiC MOSFET 的开通和关断阶段，并将

判断得到的信号传输至分流电路；

所述分流电路通过di/dt检测电路的信号对 SiC MOSFET 的栅极电流进行分流；

所述分流电路包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括第一开关管 Q₁

和第一电阻 R_x1，所述下桥臂包括第二开关管 Q₂和第二电阻 R_x2；

所述di/dt检测电路包括第一比较器 U₁和第二比较器 U₂；

所述第一比较器 U₁和第二比较器 U₂均包括+输入端、-输入端和输出端；

所述第一比较器U₁的+输入端预先设置比较电压+V_ON,所述第二比较器 U₂的+输入端预先设置比较电压-V_ON；

当di/dt检测电路检测到SiC MOSFET 源极电感的感应电压高于第一比较器 U₁的比较电压+V_ON时，第一比较器 U₁的输出端输出低电平并控制第一开关管 Q₁导通；

当di/dt检测电路检测到SiC MOSFET 源极电感的感应电压低于第二比较器 U₂的比较电压-V_ON时，第二比较器 U₂的输出端输出高电平并控

制第二开关管 Q₂导通；第一开关管 Q₁的第一端连接分流电路的电源V_cc，第二端连接第一电阻 R_x1的第一端，第一电阻 R_x1的第二端连接第二电阻R_x2的第一端，第二电阻 R_x2的第二端连接第二开关管 Q₂的第一端，第二开关管 Q₂的第二端连接分流电路的电源V_ee；

所述第一电阻 R_x1的第二端还与SiC MOSFET 栅极连接；

第一比较器 U₁的- 输入端和第二比较器 U₂的- 输入端均与SiC MOSFET 的主源极连接；

第一比较器 U₁的输出端与第一开关管 Q₁的第三端连接；

第二比较器 U₂的输出端与第二开关管 Q₂的第三端连接。

2.根据权利要求 1 所述的 SiC MOSFET 开环主动驱动电路，其特征在于，所述第一开关管 Q₁为 PMOS 管，所述第二开关管 Q₂为 NMOS 管。

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