CN109980905A - 碳化硅场效应管的串扰抑制电路、驱动电路及桥式变换器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种碳化硅场效应管的串扰抑制电路，应用于基于碳化硅场效应管的桥式变换器中，包括并联于门极关断电阻两端的关断电容，以及连接于碳化硅场效应管的源极和栅极之间的防直通支路；防直通支路在碳化硅场效应管的栅源反向电压不低于预设正阈值时导通；门极关断电阻的第一端与碳化硅场效应管的驱动单元的负压关断输出端连接，第二端与碳化硅场效应管的栅极连接。本申请利用与门极关断电阻并联的关断电容，以及在栅源反向电压不低于预设正阈值时导通的防直通支路，可有效地抑制正向、反向串扰现象，提高产品的输出精度和经济效益。本申请还公开了一种碳化硅场效应管的驱动电路以及基于碳化硅场效应管的桥式变换器，也具有上述有益效果。

Description

碳化硅场效应管的串扰抑制电路、驱动电路及桥式变换器

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种碳化硅场效应管的串扰抑制电路、驱动电路，还特别涉及一种基于碳化硅场效应管的桥式变换器。

背景技术

由于碳化硅(SiC)具有禁带宽度高、饱和电子漂移速度高、临界电场击穿强度高和介电常数低等特点，因此，碳化硅场效应管具有较高的阻断电压和工作频率，并且还同时具有通态电阻低和开关损耗小的优势，也因此而常作为功率变换电路中的开关器件。可是，又由于碳化硅场效应管的寄生电容远小于硅场效应管，因此，其对驱动电路的寄生参数更加敏感，并具有较低的阈值电压。如此，一方面，在高开关频率下，碳化硅场效应管的栅源电压极易发生震荡而导致误开通，引发桥臂直通故障，形成正向串扰；另一方面，碳化硅场效应管的驱动电压承受能力不对称，其所能承受的栅源反向电压远小于正向电压，容易被反向击穿而形成反向串扰。然而，现有技术中关于碳化硅场效应管的串扰抑制电路一般只是通过拉低栅极驱动电压来抑制串扰的正向尖峰脉冲，并没有考虑到驱动电压的负相尖峰和漏源过充电压对器件带来的负向串扰影响。鉴于此，提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员所亟需关注的。

发明内容

本申请的目的在于提供一种碳化硅场效应管的串扰抑制电路、驱动电路，以及一种基于碳化硅场效应管的桥式变换器，以便合理调节碳化硅场效应管的栅极驱动负电压，并有效抑制碳化硅场效应管的正向、反向串扰现象，进而提高产品的输出精度和经济效益。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请公开了一种碳化硅场效应管的串扰抑制电路，应用于基于碳化硅场效应管的桥式变换器中，所述串扰抑制电路包括并联于门极关断电阻两端的关断电容，以及连接于所述碳化硅场效应管的源极和栅极之间的防直通支路；

所述防直通支路在所述碳化硅场效应管的栅源反向电压不低于预设正阈值时导通；所述门极关断电阻的第一端与所述碳化硅场效应管的驱动单元的负压关断输出端连接，第二端与所述碳化硅场效应管的栅极连接。

可选地，所述防直通支路具体为无源防直通支路。

可选地，所述防直通支路包括串联的防直通二极管和防直通电阻。

可选地，所述防直通二极管的阴极与所述碳化硅场效应管的栅极连接，所述防直通二极管的阳极与所述防直通电阻的第一端连接，所述防直通电阻的第二端与所述碳化硅场效应管的源极连接。

可选地，所述关断电容的容值大于所述碳化硅场效应管的栅源寄生电容的容值。

可选地，所述防直通电阻的阻值小于所述门极关断电阻的阻值。

第二方面，本申请还公开了一种碳化硅场效应管的驱动电路，应用于基于碳化硅场效应管的桥式变换器中，所述驱动电路包括驱动单元、门极开通电阻、门极关断电阻、以及如上所述的任一种串扰抑制电路；

所述驱动单元的正压开通输出端用于输出开通电压信号，并与所述门极开通电阻的第一端连接，所述门极开通电阻的第二端与所述碳化硅场效应管的栅极连接；所述驱动单元的负压关断输出端用于输出关断电压信号，并与所述门极关断电阻的第一端连接，所述门极关断电阻的第二端与所述碳化硅场效应管的栅极连接。

第三方面，本申请还公开了一种基于碳化硅场效应管的桥式变换器，包括基于碳化硅场效应管的桥式变换电路、以及与所述桥式变换电路的各桥臂中的碳化硅场效应管一一对应的、如上所述的驱动电路。

本申请所提供的碳化硅场效应管的串扰抑制电路，应用于基于碳化硅场效应管的桥式变换器中，所述串扰抑制电路包括并联于门极关断电阻两端的关断电容，以及连接于所述碳化硅场效应管的源极和栅极之间的防直通支路；所述防直通支路在所述碳化硅场效应管的栅源反向电压不低于预设正阈值时导通；所述门极关断电阻的第一端与所述碳化硅场效应管的驱动单元的负压关断输出端连接，第二端与所述碳化硅场效应管的栅极连接。

可见，本申请利用与门极关断电阻并联的关断电容，以及在栅源反向电压不低于预设正阈值时导通的防直通支路，可在正向或者反向串扰发生时将关断电容接入电路中，增加等效栅漏寄生电容的容值，从而有效地抑制正向、反向串扰现象，保障器件的正常使用，提高了产品的输出精度和经济效益。本申请所提供的碳化硅场效应管的驱动电路可以实现上述碳化硅场效应管的串扰抑制电路，同样具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。

图1为桥式变换电路中碳化硅场效应管的串扰影响示意图；

图2为本申请所提供的一种基于碳化硅场效应管的桥式变换器的结构示意图。

具体实施方式

本申请的核心在于提供一种碳化硅场效应管的串扰抑制电路、驱动电路，以及一种基于碳化硅场效应管的桥式变换器，以便合理调节碳化硅场效应管的栅极驱动负电压，并有效抑制碳化硅场效应管的正向、反向串扰现象，进而提高产品的输出精度和经济效益。

为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

具体地，碳化硅场效应管(SiC MOSFET)相比于硅场效应管(Si MOS FET)，一个显著的不同点在于碳化硅场效应管所能承受的栅源反向电压的最大值较小，甚至可低达6V，具体如表1所示。由此使得碳化硅场效应管极易被反向击穿，损坏器件。

表1

器件类型	型号	V<sub>ds</sub>(V)/I<sub>D</sub>(A)	V<sub>th</sub>(V)	V<sub>gs_max</sub>(V)
					Si IGBT(Infineon)	IGW15N120H3	1200/30	5	-20/+20
Si MOSFET(IXYS)	IXFK20N120P	1200/20	3.5	-30/+30
					Si MOSFET(Infineon)	IPW90R120C3	900/36	3	-30/+30
SiC MOSFET(ROHM)	SCH2080KE	1200/40	1.6	-6/+22
					SiC MOSFET(CREE)	C2M0080120D	1200/36	1.8	-10/+25

此外，对于桥式变换电路，其某一桥臂中碳化硅场效应管的通断状态变化会影响到其他桥臂中的碳化硅场效应管。具体请参考图1，图1为本申请所提供的一种桥式变换电路中碳化硅场效应管的串扰影响示意图。

图1中，实线表示上桥臂中碳化硅场效应管的栅极驱动信号，虚线表示下桥臂中碳化硅场效应管的栅极驱动信号。从图1可看出，在上桥臂的碳化硅场效应管的导通和关断瞬间，均对下桥臂中的碳化硅场效应管产生串扰影响。

请参考图2，图2为本申请实施例所公开的一种基于碳化硅场效应管的桥式变换器的结构示意图，其中包括了本申请所公开的碳化硅场效应管的驱动电路及其串扰抑制电路。

如图2所示，为解决上述技术问题，本申请实施例公开的碳化硅场效应管Q*的串扰抑制电路21，应用于基于碳化硅场效应管Q*的桥式变换器中，主要包括并联于门极关断电阻Roff*两端的关断电容Coff*，以及连接于碳化硅场效应管Q*的源极和栅极之间的防直通支路211；防直通支路211在碳化硅场效应管Q*的栅源反向电压不低于预设正阈值时导通；门极关断电阻Roff*的第一端与碳化硅场效应管Q*的驱动单元的负压关断输出端out2连接，第二端与碳化硅场效应管Q*的栅极连接。其中，“*”的取值为1(对应于上桥臂)或者2(对应于下桥臂)。

具体地，如图2所示，在碳化硅场效应管Q*的驱动电路2中，门极关断电阻Roff*连接在驱动单元的负压关断输出端out2与碳化硅场效应管Q*的栅极之间。本申请实施例所公开的串扰抑制电路21包括与门极关断电阻Roff*并联的关断电容Coff*，此外，还包括连接在碳化硅场效应管Q*的栅极与源极之间的防直通支路211。由此，关断电容Coff*/门极关断电阻Roff*均可与防直通支路211构成回路。

具体地，当碳化硅场效应管Q*的栅源反向电压不低于预设正阈值时，防直通支路211导通。当然，本领域技术人员可选择合适的可控开关来设置所说的预设正阈值。

如图2所示，在上桥臂中的碳化硅场效应管Q1开通瞬间，下桥臂中的碳化硅场效应管Q2的漏源电压陡然上升，从而使漏电流流经栅漏寄生电容Cdg2，为栅漏寄生电容Cdg2充电，导致碳化硅场效应管Q2的栅源驱动电压产生一个正向的脉冲尖峰，此时门极关断电阻Roff2与防直通支路211所构成的回路导通，同时，碳化硅场效应管Q2的栅源寄生电容Cgs2与门极关断电阻Roff2所构成的回路也导通，关断电容Coff2相当于并联在栅源寄生电容Cgs2两端，相当于增加了一个栅源寄生电源。而根据串扰原理可知，最大电压尖峰的值取决于：

可见，等效栅源寄生电容的容值越大，最大电压尖峰的峰值越小。由此可知，本申请利用关断电容Coff*和防直通支路211可有效抑制栅极正向串扰。

此外，如图2所示，在上桥臂中的碳化硅场效应管Q1关断瞬间，下桥臂中的碳化硅场效应管Q2的漏源电压突变为0，栅漏寄生电容Cdg2放电，使得碳化硅场效应管Q2的栅极驱动电压产生一个负向的脉冲尖峰，此时门极关断电阻Roff2与防直通支路211所构成的回路导通，同时碳化硅场效应管Q2的栅源寄生电容Cgs2与门极关断电阻Roff2所构成的回路也导通，关断电容Coff2相当于并联在栅源寄生电容Cgs2两端，从而抑制了栅极负向串扰。

本申请所提供的碳化硅场效应管Q*的串扰抑制电路21，应用于基于碳化硅场效应管Q*的桥式变换器中，包括并联于门极关断电阻Roff*两端的关断电容Coff*，以及连接于碳化硅场效应管Q*的源极和栅极之间的防直通支路211；防直通支路211在碳化硅场效应管Q*的栅源反向电压不低于预设正阈值时导通，门极关断电阻Roff*的第一端与碳化硅场效应管Q*的驱动单元的负压关断输出端out2连接，另一端与碳化硅场效应管Q*的栅极连接。可见，本申请利用与门极关断电阻Roff*并联的关断电容Coff*，以及在栅源反向电压不低于预设正阈值时导通的防直通支路211，可在正向或者反向串扰发生时将关断电容Coff*接入电路中，增加等效栅漏寄生电容的容值，从而有效地抑制正向、反向串扰现象，保障器件的正常使用，提高了产品的输出精度和经济效益。

此外，关断电容Coff*还可以在碳化硅场效应管Q*关断瞬间迅速拉低栅源电压，从而还具有提高碳化硅场效应管Q*的关断速度的有益效果，并且不会对开通速度造成延迟。

本申请所提供的碳化硅场效应管Q*的串扰抑制电路21，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，防直通支路211具体为无源防直通支路211。

作为一种优选实施例，防直通支路211包括串联的防直通二极管D*和防直通电阻R*。

如图2所示，防直通支路211具体可由无源器件构成，以避免因有源器件的使用而增加电路结构的复杂程度。

具体地，如图2所示，防直通二极管D*的阴极与碳化硅场效应管Q*的栅极连接，防直通二极管D*的阳极与防直通电阻R*的第一端连接，防直通电阻R*的第二端与碳化硅场效应管Q*的源极连接。

当然，需要说明的是，本领域技术人员也可以交换防直通二极管D*与防直通电阻R*的相互连接位置，本申请对此并不进行限定。

本申请所提供的碳化硅场效应管Q*的串扰抑制电路21，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，关断电容Coff*的容值大于碳化硅场效应管Q*的栅源寄生电容的容值。

本申请所提供的碳化硅场效应管Q*的串扰抑制电路21，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，防直通电阻R*的阻值小于门极关断电阻Roff*的阻值。

具体地，如图2所示，当碳化硅场效应管Q*的栅极电压为负电压时，防直通支路211与门极关断电阻Roff*所在的回路导通，此时，门极关断电阻Roff*与防直通电阻R*的分压作用，使得碳化硅场效应管Q*的栅极电压取决于门极关断电阻Roff*与防直通电阻R*的分压比例。

可见，本实施例通过合适的阻值设置即可合理地调整栅极驱动负电压，进而可有效避免反向击穿现象，同时不会降低正向开通电压；由此，甚至还可以采用适用于硅场效应管的对称式驱动方式，极大地提高了产品的适用性。

进一步地，本申请还公开了一种碳化硅场效应管Q*的驱动电路2。

参照图2，本申请所提供的碳化硅场效应管Q*的驱动电路2应用于基于碳化硅场效应管Q*的桥式变换器中，包括驱动单元、门极开通电阻Ron*、门极关断电阻Roff*、以及如上所述的任一种串扰抑制电路21；

驱动单元的正压开通输出端out1用于输出开通电压信号，并与门极开通电阻Ron*的第一端连接，门极开通电阻Ron*的第二端与碳化硅场效应管Q*的栅极连接；驱动单元的负压关断输出端out2用于输出关断电压信号，并与门极关断电阻Roff*的第一端连接，门极关断电阻Roff*的第二端与碳化硅场效应管Q*的栅极连接。

可见，本申请所提供的碳化硅场效应管Q*的驱动电路2，利用与门极关断电阻Roff*并联的关断电容Coff*，以及在栅源反向电压不低于预设正阈值时导通的防直通支路211，可在正向或者反向串扰发生时将关断电容Coff*接入电路中，增加等效栅漏寄生电容的容值，从而有效地抑制正向、反向串扰现象，保障器件的正常使用，提高了产品的输出精度和经济效益。

进一步地，本申请还公开了一种基于碳化硅场效应管Q*的桥式变换器。

参照图2，本申请所提供的桥式变换器包括基于碳化硅场效应管Q*的桥式变换电路1、以及与桥式变换电路1的各桥臂中的碳化硅场效应管Q*一一对应的、如上所述的驱动电路2。

可见，本申请所提供的基于碳化硅场效应管Q*的桥式变换器，利用与门极关断电阻Roff*并联的关断电容Coff*，以及在栅源反向电压不低于预设正阈值时导通的防直通支路211，可在正向或者反向串扰发生时将关断电容Coff*接入电路中，增加等效栅漏寄生电容的容值，从而有效地抑制正向、反向串扰现象，保障器件的正常使用，提高了产品的输出精度和经济效益。

本申请所提供的碳化硅场效应管的驱动电路、以及基于碳化硅场效应管的桥式变换器的具体实施方式与上文所描述的碳化硅场效应管的串扰抑制电路可相互对应参照，这里就不再赘述。

本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的驱动电路而言，由于其与实施例公开的串扰抑制电路相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见串扰抑制电路部分说明即可。

还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种碳化硅场效应管的串扰抑制电路，应用于基于碳化硅场效应管的桥式变换器中，其特征在于，所述串扰抑制电路包括并联于门极关断电阻两端的关断电容，以及连接于所述碳化硅场效应管的源极和栅极之间的防直通支路；

所述防直通支路在所述碳化硅场效应管的栅源反向电压不低于预设正阈值时导通；所述门极关断电阻的第一端与所述碳化硅场效应管的驱动单元的负压关断输出端连接，第二端与所述碳化硅场效应管的栅极连接。

2.根据权利要求1所述的串扰抑制电路，其特征在于，所述防直通支路具体为无源防直通支路。

3.根据权利要求2所述的串扰抑制电路，其特征在于，所述防直通支路包括串联的防直通二极管和防直通电阻。

4.根据权利要求3所述的串扰抑制电路，其特征在于，所述防直通二极管的阴极与所述碳化硅场效应管的栅极连接，所述防直通二极管的阳极与所述防直通电阻的第一端连接，所述防直通电阻的第二端与所述碳化硅场效应管的源极连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的串扰抑制电路，其特征在于，所述关断电容的容值大于所述碳化硅场效应管的栅源寄生电容的容值。

6.根据权利要求1至4任一项所述的串扰抑制电路，其特征在于，所述防直通电阻的阻值小于所述门极关断电阻的阻值。

7.一种碳化硅场效应管的驱动电路，应用于基于碳化硅场效应管的桥式变换器中，其特征在于，所述驱动电路包括驱动单元、门极开通电阻、门极关断电阻、以及如权利要求1至6任一项所述的串扰抑制电路；

所述驱动单元的正压开通输出端用于输出开通电压信号，并与所述门极开通电阻的第一端连接，所述门极开通电阻的第二端与所述碳化硅场效应管的栅极连接；所述驱动单元的负压关断输出端用于输出关断电压信号，并与所述门极关断电阻的第一端连接，所述门极关断电阻的第二端与所述碳化硅场效应管的栅极连接。

8.一种基于碳化硅场效应管的桥式变换器，其特征在于，包括基于碳化硅场效应管的桥式变换电路、以及与所述桥式变换电路的各桥臂中的碳化硅场效应管一一对应的、如权利要求6所述的驱动电路。