CN110112893A - 一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，包括：PWM控制电路、驱动信号放大电路、关断电路、栅极分流电路和电流变化率控制电路；其中，栅极分流电路在关断电路工作时开通，对SiC MOSFET的栅极电流进行分流，加快SiC MOSFET关断；并在漏源电压升到预设值时关断；电流变化率控制电路在漏源电压升到预设值时关断，降低漏电流变化率。本发明设置栅极分流电路，在SiC MOSFET关断过程中对栅极输出电流分流，加快栅源电压的下降速度，从而提高了SiC MOSFET的关断速度；另外，在SiC MOSFET关断过程中，电流变化率控制电路的关断降低了漏电流变化率，从而减小SiC MOSFET关断时的电压尖峰，两电路协同作用，实现了高栅源电压降压速度及低电压尖峰，保证了SiC MOSFET安全工作。

Description

一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路

技术领域

本发明属于电力电子驱动领域，更具体地，涉及一种碳化硅半导体场应管的驱动电路。

背景技术

SiC MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)即碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管，具有开关速度快、开关损耗小、温度性能好、耐压等级高、体积小等优点，在电力电子变换器领域具有非常好的应用前景。而高频化是电力电子变换技术的发展趋势，但SiC MOSFET由于开关速度很快，在高频场合中很容易受到各种寄生参数的影响，导致震荡、误导通等现象。因此，在实际应用中必须设计相应的驱动电路，以确保SiC MOSFET安全、可靠工作，充分发挥SiC MOSFET的性能优势。

但是，SiC MOSFET的传统驱动电路在关断过程中存在关断速度与电压尖峰这一对矛盾，传统的SiC MOSFET驱动电路通过控制栅极电阻来控制关断速度和电压尖峰，当栅极电阻较大时，电压尖峰会下降，但关断速度也同时会下降；反之，当栅极电阻较小时，关断速度会提高，但电压尖峰也会增加。因此，传统的SiC MOSFET驱动电路不能同时满足关断速度快、电压尖峰小的要求，亟需要对驱动电路进行改进。

发明内容

本发明提供一种碳化硅半导体场应管的驱动电路，用以解决现有SiC MOSFET驱动电路不能同时实现SiC MOSFET的高关断速度和低电压尖峰的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，包括：PWM控制电路、驱动信号放大电路、关断电路、栅极分流电路和电流变化率控制电路；

所述PWM控制电路的输出端与所述驱动信号放大电路的输入端连接，用于控制所述驱动信号放大电路输出驱动电压；

所述关断电路的输出端与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输入端与SiCMOSFET的栅极连接，用于对导通的SiC MOSFET进行关断；

所述栅极分流电路的控制端与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输入端与所述栅极连接，用于在所述关断电路工作时开通，对SiC MOSFET的栅极电流进行分流，加快SiC MOSFET关断；并在SiC MOSFET的漏源电压升到预设值时关断；

所述电流变化率控制电路的控制端和输出端分别与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输入端与所述栅极连接，用于在所述漏源电压升到所述预设值时关断，降低SiCMOSFET的漏电流变化率。

本发明的有益效果是：本发明的驱动电路通过设置栅极分流电路，在SiC MOSFET关断过程中对栅极的输出电流进行分流，加快SiC MOSFET栅源电压的下降速度，从而提高了SiC MOSFET的关断速度；另外，本发明的驱动电路设置电流变化率控制电路，在SiCMOSFET关断过程中，对栅极分流电路和电流变化率控制电路同时关断，此时，可通过增加关断过程的阻值(即SiC MOSFET栅极电阻)，以降低SiC MOSFET漏电流变化率，从而减小SiCMOSFET关断时的电压尖峰。需要注意的是，电流变化率控制电路的关断即是对SiC MOSFET栅极电阻的增加。栅极分流电路和电流变化率控制电路协同作用，实现了较高的栅源电压降压速度以及较低的电压尖峰，同时保证了SiC MOSFET安全工作。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述驱动电路还包括：开通电路；

所述开通电路的输入端与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输出端与所述栅极连接，用于导通SiC MOSFET。

进一步，所述开通电路包括：依次连接的开通二极管和开通电阻；

其中，所述开通二极管的正极为所述开通电路的所述输入端，所述开通电阻的输出端为所述开通电路的所述输出端。

进一步，所述驱动电压包括正驱动电压和负驱动电压，其中，所述正驱动电压用于驱动所述开通电路，取值为-4V～-5V，所述负驱动电压用于驱动所述关断电路，取值为18V～20V。

进一步，所述预设值为0.8Vdc。

本发明的进一步有益效果是：栅极分流电路加快栅源电压的降压速度，当栅源电压下降到0.8Vdc，关断栅极分流电路，以防电压尖峰的出现，此时关断电流变化率控制电路，以增大栅极电阻，降低漏电流变化率，抑制电压尖峰，该预设值为经验值，可有效抑制电压尖峰，可根据实际需要选择其它预设值。

进一步，所述栅极分流电路的输出端接地。

本发明的进一步有益效果是：直接接地分流，节约成本，省时省力。

进一步，所述栅极分流电路包括：依次连接的分流开关和分流电阻；

其中，所述分流开关的控制端为所述栅极分流电路的所述控制端；所述分流开关的输出端接地；所述分流电阻的输入端为所述栅极分流电路的所述输入端。

进一步，所述电流变化率控制电路，具体用于：

在所述SiC MOSFET开通时开通，并在所述漏源电压上升到所述预设值时关断，增大SiC MOSFET的栅极电阻，降低SiC MOSFET的漏电流变化率。

本发明的进一步有益效果是：电流变化率控制电路关断时，即增加了栅极电阻的阻值，有效较低漏电流变化率，避免较高的电压尖峰，方便快捷。

进一步，所述关断电路包括：依次连接的关断二极管和关断电阻；

其中，所述关断二极管的负极为所述关断电路的所述输出端，所述关断电阻的输入端为所述关断电路的所述输入端。

进一步，所述电流变化率控制电路包括：依次连接的电流控制开关、电流控制电阻和电流控制二极管；

其中，所述电流控制二极管的负极为所述电流变化率控制电路的所述输出端，所述电流控制开关的输入端为所述电流变化率控制电路的所述输入端，所述电流控制开关的控制端为所述电流变化率控制电路的所述控制端。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路的示意性框图；

图2为本发明一个实施例提供的另一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路的示意性框图；

图3为图2对应的驱动电路的结构图；

图4为图3对应的SiC MOSFET关断过程中各时段的电压电流波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路100，如图1所示，包括：PWM控制电路、驱动信号放大电路、关断电路、栅极分流电路和电流变化率控制电路。其中，PWM控制电路的输出端与驱动信号放大电路的输入端连接，用于控制驱动信号放大电路输出驱动电压；关断电路的输出端与驱动信号放大电路的输出端连接，输入端与SiC MOSFET的栅极连接，用于对导通的SiC MOSFET进行关断；栅极分流电路的控制端与驱动信号放大电路的输出端连接，输入端与栅极连接，用于在关断电路工作时开通，对SiC MOSFET的栅极电流进行分流，加快SiC MOSFET关断；并在SiC MOSFET的漏源电压升到预设值时关断；电流变化率控制电路的控制端和输出端分别与驱动信号放大电路的输出端连接，输入端与栅极连接，用于在漏源电压升到所述预设值时关断，降低SiC MOSFET的漏电流变化率。

本实施例的驱动电路通过设置栅极分流电路，在SiC MOSFET关断过程中对栅极的输出电流进行分流，加快SiC MOSFET栅源电压的下降速度，从而提高了SiC MOSFET的关断速度；另外，本实施例的驱动电路设置电流变化率控制电路，在SiC MOSFET关断过程中，对栅极分流电路和电流变化率控制电路同时关断，此时，可通过增加关断过程的阻值(即SiCMOSFET栅极电阻)，以降低SiC MOSFET漏电流变化率，从而减小SiC MOSFET关断时的电压尖峰。需要注意的是，电流变化率控制电路的关断即是对SiC MOSFET栅极电阻的增加。

栅极分流电路和电流变化率控制电路协同作用，实现了较高的栅源电压降压速度以及较低的电压尖峰，同时保证了SiC MOSFET安全工作。

优选的，如图2所示，驱动电路还包括：开通电路；

所述开通电路的输入端与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输出端与所述栅极连接，用于导通SiC MOSFET。

优选的，如图3所示，开通电路包括：依次连接的开通二极管D1和开通电阻Ron。其中，开通二极管的正极为开通电路的输入端，开通电阻的输出端为开通电路的所述输出端。

需要说明的是，开通电路中开通二极管和开通电阻的连接顺序不限于上述连接方式，开通电路的输入端也可是开通电阻的一端，输出端是开通二极管的负极，连接关系只要能实现开通功能即可。

优选的，驱动电压包括正驱动电压和负驱动电压，其中，正驱动电压用于驱动开通电路，取值为-4V～-5V，负驱动电压用于驱动关断电路，取值为18V～20V。

优选的，预设值为0.8Vdc。

需要说明的是，预设值可以根据实际需要设置不同的极限值。

优选的，栅极分流电路的输出端接地。

优选的，如图3所示，栅极分流电路包括：依次连接的分流开关Q1和分流电阻R1；其中，分流开关的控制端为栅极分流电路的控制端；分流开关的输出端接地；分流电阻的输入端为栅极分流电路的输入端。

需要说明的是，分流开关和分流电阻的连接顺序不限于上述连接方式，连接方式可以为：分流电阻的一端接地，另一端与分流开关的输出端连接，分流开关的输入端为栅极分流电路的输入端。连接关系只要能实现分流功能即可。

在SiC MOSFET关断初始，开通栅极分流电路，以对SiC MOSFET的栅极输出的输出电流进行分流，一部分进入关断电路和电流变化率控制电路，一部分经过栅极分流电路流向大地，以加快栅源电压的降压速度。基于电压尖峰的出现原理，增大降压速度，容易增大电压尖峰，因此，当栅源电压降压到预设值时，关闭栅极分流电路，此时栅极分流电路不起作用，将栅源电压的降压速度减慢。

由于电流变化率控制电路与栅极分流电路同时关断，而关断电阻的阻值相较电路1的大，因此，在栅极分流电路不起作用后，电流变化率控制电路能够接着起到降低漏电流变化率的作用，栅极分流电路和电流变化率控制电路协同作用满足了现有对较高的关断速度、较低的电压尖峰的要求。

需要说明的是，可通过改变分流电阻的大小，来调整栅极分流电路的分流能力，进而控制栅源电压的降压速度。

优选的，电流变化率控制电路具体用于：

在SiC MOSFET开通时开通，并在漏源电压上升到预设值时关断，增大SiC MOSFET的栅极电阻，降低SiC MOSFET的漏电流变化率。

优选的，如图3所示，关断电路包括：依次连接的关断二极管D2和关断电阻Roff1；其中，关断二极管的负极为关断电路的输出端，关断电阻的输入端为关断电路的输入端。

需要说明的是，关断电路中关断二极管和关断电阻的连接顺序不限于上述连接方式，关断电路的输入端也可是关断电阻的一端，输出端是关断二极管的负极，连接关系只要能实现关断功能即可。

优选的，如图3所示，电流变化率控制电路包括：依次连接的电流控制开关Q2、电流控制电阻Roff2和电流控制二极管D3；其中，电流控制二极管的负极为电流变化率控制电路的输出端，电流控制开关的输入端为电流变化率控制电路的输入端，电流控制开关的控制端为电流变化率控制电路的控制端。

需要说明的是，电流控制开关、电流控制电阻和电流控制二极管的连接顺序不限于上述连接方式，连接关系只要能实现在其关断时降低漏电流变化率的功能即可。

如图3所示，为了更好的理解电流变化率控制电路的作用，假设一种情况如下：

电路1：没有电流变化率控制电路和栅极分流电路的驱动电路中关断电阻的阻值为R，电路2：本实施例中没有栅极分流电路且关断电路中关断电阻的阻值和电流控制电阻的阻值均为2R。则在这样的电路对比情况下，电路2在SiC MOSFET关断之前以及关断的起初过程中，电流变化率控制电路开通，此时关断电路和电流变化率控制电路并联作用的功能同电路1只有关断阻值为R的关断电路的功能作用。但是，当电路2在关断SiC MOSFET过程中，关闭电流变化率控制电路，此时关断电路的阻值为2R，相较电路1，关断的阻值较大，因此，能够起到限制SiC MOSFET的漏电流降低速度的作用，以降低电压尖峰。其中，由于栅极分流电路在关断时，相当于不存在，所以电路2中假设没有栅极分流电路是成立的，事实上，栅极分流电路和电流变化率控制电路之间是独立工作、互不影响的。

需要说明的是，在上述假设情况下，在SiC MOSFET关断的起初过程中，由于电流变化率控制电路是开通的，其与关断电路并联，阻值同电路1的关断阻值，因此，并没有在SiCMOSFET关断的起初过程中起到加快SiC MOSFET的栅源电压的降压速度，事实上，在这个起初过程，是栅极分流电路的分流作用来加快SiC MOSFET的栅源电压的降压速度。

对上述假设进行修改，得到另一种情况假设情况，即：

如果在上述假设的基础上，将电路2中的关断电阻和电流控制电阻的阻值分别调整到R，此时，关断电路和电流变化率控制电路并联的阻值小于电路1的关断电阻，那么，电路2在SiC MOSFET关断之前以及关断的起初过程中，因电流变化率控制电路是开通的，其会同栅极分流电路一样，相比较电路1，加快栅源电压的降压速度，但此种情况，在关断电流变化率控制电路和栅极分流电路后，电流变化率控制电路可能不能起到降低楼电路变化率的作用，因此，可以说在第一种假设中电流变化率控制电路会牺牲一些SiC MOSFET关断速度，以来换取小的电压尖峰。

另外，当栅源电压降压到预设值时，关闭栅极分流电路，此时栅极分流电路不起作用，将栅源电压的降压速度减慢。由于电流变化率控制电路与栅极分流电路同时关断，而关断电阻的阻值相较电路1的大，因此，在栅极分流电路不起作用后，电流变化率控制电路能够接着起到降低漏电流变化率的作用，栅极分流电路和电流变化率控制电路联合作用满足了现有对较高的关断速度快、较低的电压尖峰的要求。

具体地，例如，如图3所示，PWM控制电路输出高电平信号时，驱动信号放大电路输出正驱动电压Vcc，Vcc为18V～20V；PWM控制电路输出低电平信号时，驱动信号放大电路输出负驱动电压为Vee，Vee为-4V～-5V。其中，PWM控制信号可由PWM控制芯片产生，或使用DSP、单片机、FPGA可编程芯片产生。

驱动信号放大电路可使用PMOS管和NMOS管构成的推挽式驱动电路，或使用NPN和PNP三极管构成的推挽式驱动电路，也可以采用其他电路形式实现。

开通电路包括：开通二极管D1和开通电阻Ron；开通二极管D1的阳极与驱动信号放大电路的输出端连接，阴极通过开通电阻Ron与SiC MOSFET开关管Q3的栅极连接。

关断电路包括：关断二极管D2和关断电阻Roff1；关断二极管D2的阴极与驱动信号放大电路的输出端连接，阳极通过关断电阻Roff1与Q3的栅极连接。

栅极分流电路包括：电流控制开关Q1和限流电阻R1；电流控制开关Q1的控制端与驱动信号放大电路的输出端连接，输出端接地，输入端通过限流电阻R1与Q3的栅极连接。

电流变化率控制电路包括：电流控制开关Q2和限流电阻Roff2。

基于上述方案的SiC MOSFET开关管Q3的关断过程可分为几个阶段，每个阶段的电压电流变化情况如图4所示，现分别对每个阶段的工作原理进行具体说明。

t1前：Q2保持导通，Q1保持关断；

t1～t2阶段：PWM控制电路发出低电平信号，驱动信号放大电路输出负驱动电压Vee，驱动电流经过开通二极管D1和开通电阻Ron，在t1时刻，Q3的栅源电压Vgs开始下降，此时，使电流控制开关Q1导通，栅极分流电路起作用，使驱动电流增大，Vgs的下降速度加快，从而缩短关断时间；

t2～t3阶段：t2时刻，Q3漏源电压Vds到达0.8Vdc，此时关断栅极分流电路，同时关断电流变化率控制电路。当Vds上升到Vdc时，米勒平台结束，漏电流id开始下降，由于回路寄生电感的影响，漏源电压Vds会出现电压尖峰，从而使开关器件受到比较大的电压应力，由于电流变化率控制电路的作用，漏电流变化率被降低，从而电压尖峰也随之降低；

t3后：t3时刻，栅源电压Vgs下降到Vth，漏电流下降到0，之后栅源电压继续下降，直到栅源电压Vgs下降到负驱动电压Vee，Q3完全关断。

综上，通过改变限流电阻R1、Roff2的大小，控制Q3栅极的输出电流的大小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，包括：PWM控制电路、驱动信号放大电路、关断电路、栅极分流电路和电流变化率控制电路；

所述PWM控制电路的输出端与所述驱动信号放大电路的输入端连接，用于控制所述驱动信号放大电路输出驱动电压；

所述关断电路的输出端与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输入端与SiC MOSFET的栅极连接，用于对导通的SiC MOSFET进行关断；

所述栅极分流电路的控制端与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输入端与所述栅极连接，用于在所述关断电路工作时开通，对SiC MOSFET的栅极电流进行分流，加快SiCMOSFET关断；并在SiC MOSFET的漏源电压上升到预设值时关断；

所述电流变化率控制电路的控制端和输出端分别与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输入端与所述栅极连接，用于在所述漏源电压上升到所述预设值时关断，降低SiCMOSFET的漏电流变化率。

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括：开通电路；

所述开通电路的输入端与所述驱动信号放大电路的输出端连接，输出端与所述栅极连接，用于导通SiC MOSFET。

3.根据权利要求2所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述开通电路包括：依次连接的开通二极管和开通电阻；

其中，所述开通二极管的正极为所述开通电路的所述输入端，所述开通电阻的输出端为所述开通电路的所述输出端。

4.根据权利要求2所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述驱动电压包括正驱动电压和负驱动电压，其中，所述正驱动电压用于驱动所述开通电路，取值为-4V～-5V，所述负驱动电压用于驱动所述关断电路，取值为18V～20V。

5.根据权利要求1所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述预设值为0.8Vdc。

6.根据权利要求1所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述栅极分流电路的输出端接地。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述栅极分流电路包括：依次连接的分流开关和分流电阻；

其中，所述分流开关的控制端为所述栅极分流电路的所述控制端；所述分流开关的输出端接地；所述分流电阻的输入端为所述栅极分流电路的所述输入端。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述电流变化率控制电路，具体用于：

在所述SiC MOSFET开通时开通，并在所述漏源电压上升到所述预设值时关断，增大SiCMOSFET的栅极电阻，降低SiC MOSFET的漏电流变化率。

9.根据权利要求1至6任一项所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述关断电路包括：依次连接的关断二极管和关断电阻；

其中，所述关断二极管的负极为所述关断电路的所述输出端，所述关断电阻的输入端为所述关断电路的所述输入端。

10.根据权利要求9所述的一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路，其特征在于，所述电流变化率控制电路包括：依次连接的电流控制开关、电流控制电阻和电流控制二极管；

其中，所述电流控制二极管的负极为所述电流变化率控制电路的所述输出端，所述电流控制开关的输入端为所述电流变化率控制电路的所述输入端，所述电流控制开关的控制端为所述电流变化率控制电路的所述控制端。