CN110224690A - 一种SiC MOSFET串联驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SiC MOSFET串联驱动电路，第一驱动电源的高压端经高压二极管与加速电容的一端、第一SiC MOSFET管的栅极、驱动电容的一端及第二静态均压电阻的一端相连接，加速电容Csp的另一端与第一静态均压电阻的一端及第一SiC MOSFET管的漏极相连接，第一SiC MOSFET管的源极与第一静态均压电阻的另一端及第二SiC MOSFET管的漏极相连接，第二驱动电源的高压端与驱动电容的另一端及驱动电阻的一端相连接，驱动电阻的另一端与第二SiC MOSFET管的栅极相连接，第一驱动电源的低压端、第二驱动电源的低压端、第二静态均压电阻的另一端及第二SiC MOSFET管的源极均接地，该电路中SiC MOSFET管的栅极侧信号均压控制成本低，且能够实现栅极侧负压驱动，同时驱动的均压效果较好。

Description

一种SiC MOSFET串联驱动电路
技术领域
本发明涉及一种驱动电路，具体涉及一种SiC MOSFET串联驱动电路。
背景技术
SiC的材料晶元的生长难度较大，现在商用SiC MOSFET的电压等级以1200V为主。相较于现今在中大功率电力电子装置中广泛使用的IGBT，单个商用IGBT可以达到6500V的电压等级，为在高压场合使用SiC MOSFET，需要对其进行串联连接。由于碳化硅(SiC)MOSFET器件没有自动均压的特性，器件内部参数的微小差异就会影响到串联器件的漏源极电压的不平衡。尤其是在串联组件中开通过程较慢或者关断过程较快的器件必将承受更高的电压，严重时会导致过压击穿的现象。串联SiC MOSFET的电压不均衡可以分为静态电压不均衡和动态电压不均衡。
通过在功率器件的漏源极两端的负载侧接入“RCD”缓冲电路，能够环节漏源极电压的变化速率，从而减小各个功率器件的动态电压差。RCD缓冲电路中，电容取值越大对动态电压不平衡的抑制效果越好，但在大中功率场合下往往会只能加电路的功率损耗以及器件的开通和关断的时间。功率器件动态电压不均衡由外部驱动信号的不一致和器件本身的离散性导致的，对此一些学者提出了针对栅极侧信号的均压方法，针对每一个功率器件都对应一个单独的驱动电路或一个隔离的电源，从而通过对各个栅极侧信号进行控制来解决驱动信号延迟不一致的问题。但是基于栅极侧信号均压的控制方法的成本太高，在对成本要求很高的场合(比如高功率密度开关电源)是不适用的，且普遍无法提供栅极侧负压驱动，在实际的实验验证中驱动的均压效果也并不理想。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种SiC MOSFET串联驱动电路，该电路中SiC MOSFET管的栅极侧信号均压控制成本低，且能够实现栅极侧负压驱动，同时驱动的均压效果较好。
为达到上述目的，本发明所述的SiC MOSFET串联驱动电路包括第一驱动电源、第二驱动电源、高压二极管、加速电容、第一SiC MOSFET管、驱动电容、第二静态均压电阻、第一静态均压电阻、第二SiC MOSFET管、驱动电阻；
第一驱动电源的高压端经高压二极管与加速电容的一端、第一SiC MOSFET管的栅极、驱动电容的一端及第二静态均压电阻的一端相连接，加速电容Csp的另一端与第一静态均压电阻的一端及第一SiC MOSFET管的漏极相连接，第一SiC MOSFET管的源极与第一静态均压电阻的另一端及第二SiC MOSFET管的漏极相连接，第二驱动电源的高压端与驱动电容的另一端及驱动电阻的一端相连接，驱动电阻的另一端与第二SiC MOSFET管的栅极相连接，第一驱动电源的低压端、第二驱动电源的低压端、第二静态均压电阻的另一端及第二SiC MOSFET管的源极均接地。
第一SiC MOSFET管的栅极与源极之间连接有稳压二极管。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的SiC MOSFET串联驱动电路在具体操作时，采用第一SiC MOSFET管与第二SiC MOSFET管串联连接的方式，加速电容连接于第一SiC MOSFET管的栅极与漏极之间，当开通时动态电压不均衡时，通过调节加速电容可加快第一SiC MOSFET管的开通，以实现开通时动态电压的均衡；第一静态均压电阻连接于第一SiC MOSFET管的源极与漏极之间，第二静态均压电阻连接于第一SiC MOSFET管的栅极与第二SiC MOSFET管的源极之间，以实现串联SiC MOSFET管的静态电压均衡，SiC MOSFET管的栅极侧信号均压控制成本低，且能够实现栅极侧负压驱动，同时驱动的均压效果较好，另外，高压二极管和第一驱动电源串联连接，且连接于第一SiC MOSFET管的栅极与第二SiC MOSFET管的源极之间，为第一SiCMOSFET管提供持续的驱动电压。经试验，本发明能够在几百ns内完成串联SiC MOSFET管的开关控制。
附图说明
图1是本发明的拓扑结构图；
图2是本发明开通过程的分析图；
图3是本发明关断过程的分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的SiC MOSFET串联驱动电路包括第一驱动电源G1、第二驱动电源G2、高压二极管D1、加速电容Csp、第一SiC MOSFET管Q1、驱动电容Cs、第二静态均压电阻R2、第一静态均压电阻R1、第二SiC MOSFET管Q2、驱动电阻Rg；第一驱动电源G1的高压端经高压二极管D1与加速电容Csp的一端、第一SiC MOSFET管Q1的栅极、驱动电容Cs的一端及第二静态均压电阻R2的一端相连接，加速电容Csp的另一端与第一静态均压电阻R1的一端及第一SiC MOSFET管Q1的漏极相连接，第一SiC MOSFET管Q1的源极与第一静态均压电阻R1的另一端及第二SiC MOSFET管Q2的漏极相连接，第二驱动电源G2的高压端与驱动电容Cs的另一端及驱动电阻Rg的一端相连接，驱动电阻Rg的另一端与第二SiC MOSFET管Q2的栅极相连接，第一驱动电源G1的低压端、第二驱动电源G2的低压端、第二静态均压电阻R2的另一端及第二SiC MOSFET管Q2的源极均接地；第一SiC MOSFET管Q1的栅极与源极之间连接有稳压二极管D2。
电路的开通过程分析如下，请参阅图2所示。
1)第二SiC MOSFET管Q2的开通延迟期(t1-t2)，第二驱动电源G2处的驱动电压由负变为正，并作用于第二SiC MOSFET管Q2的栅极，以驱动第二SiC MOSFET管Q2至临界进入饱和区状态。
2)第一SiC MOSFET管Q1的开通延迟期(t2-t3)，第二SiC MOSFET管Q2的栅极电压到达Vgs_th，由于第一SiC MOSFET管Q1仍处于关断状态，第二SiC MOSFET管Q2仅有微弱漏电流流过，第二SiC MOSFET管Q2迅速从饱和区向正向电阻区过渡；第二SiC MOSFET管Q2的等效阻值随Vgs上升迅速下降，vds_Q2快速下降，vds_Q1相应升高，由于vds_Q2快速下降，第二SiC MOSFET管Q2的栅极电流几乎全部被Cgd抽离，第二SiC MOSFET管Q2的栅极电压进入米勒平台期，随着vds_Q2的快速下降，驱动电容Cs开始通过第一SiC MOSFET管Q1中栅极与源极之间的寄生电容Cgs释放电荷，以产生第一SiC MOSFET管Q1的驱动电流i3_on。
3)换流期(t3-t4)，vgs_Q1增加至Vgs_th，第一SiC MOSFET管Q1进入饱和区，电流id开始上升，期间第二SiC MOSFET管Q2的漏极与源极之间的电压vds仍迅速下降，继续为第一SiC MOSFET管Q1提供栅极电流i3_on，至t4时刻，换流结束，Vgs_Q1升至VGP。
4)电压下降期(t4-t6)，第一SiC MOSFET管Q1的漏极与源极之间的电压Vds_Q1到达其最大值Vds_max，随后其Vds开始下降，由vds_Q2变化产生第一SiC MOSFET管Q1的驱动电流，被第一SiC MOSFET管Q1的米勒电容Cgs吸收，第一SiC MOSFET管Q1的栅极电压进入米勒平台期，通过对驱动参数的调整，使vds_Q1在t5时刻略先于vds_Q2降至接近零的导通压降，第一SiC MOSFET管Q1退出米勒平台，提前进入栅极过驱动阶段。
5)栅极过驱动期(t6-t7)，驱动电容Cs上的电压跟随vds_Q2降为零，高压二极管D1导通，第一驱动电源G1及第二驱动电源G2分别为第一SiC MOSFET管Q1、第二SiC MOSFET管Q2的驱动提供驱动电流i7_on和i1_on。
关断过程分析如下所示，参考图3。
6)第二SiC MOSFET管Q2关断延时期(t8-t10)，第一驱动电源G1处的驱动电压由正电压变为负电压并作用于第二SiC MOSFET管Q2的栅极，同时第一驱动电源G1处的驱动电压由正转负，高压二极管D1由于反向恢复过程，将第一SiC MOSFET管Q1栅极电荷抽离，直至t9时刻，高压二极管D1反向恢复过程结束，Vgs_Q1进入第一个平台期。
7)第一SiC MOSFET管Q1关断延时期(t10-t11)，第二SiC MOSFET管Q2开始进入饱和区，第二SiC MOSFET管Q2中漏极与源极之间的电压vds_Q2开始上升，驱动电容Cs的电压相应上升，产生的驱动电流i3_off使vgs_Q1快速下降。
8)电压上升期(t11-t12)，第一SiC MOSFET管Q1进入饱和区，vds_Q1开始上升，直至t12时刻，vds_Q1与vds_Q2之和达到母线电压，电压上升期结束。
9)换流期(t12-t13)，vds_Q2达到最大值，第一SiC MOSFET管Q1及第二SiC MOSFET管Q2的米勒平台期结束，进入换流期。
10)负压驱动期(t13-t14)，换流期结束，在负驱动电压作用和稳压二极管D2的作用下，vgs_Q1继续下降至-0.7V，vgs_Q2下降至-Vee，关断过程结束。
在上述分析下，为满足开通与关断过程的动态电压均衡，驱动电容Cs的选取需满足：
a)在开启过程中，为保证第一SiC MOSFET管Q1的可靠开启，驱动电容Cs至少要提供驱动电荷直到第一SiC MOSFET管Q1的电压下降期结束；
b)在关断过程中，为保证串联SiC MOSFET动态电压平衡，驱动电容Cs至少要驱动电荷直至t12时刻第一SiC MOSFET管Q1的电压上升期结束。
在上述分析下，为满足所提电路静态电压均衡，第一静态均压电阻R1及第二静态均压电阻R2的选取需满足：根据不同型号的SiC MOSFET查阅其数据手册中漏电流的描述，在第一SiC MOSFET管Q1与第二SiC MOSFET管Q2流过第一静态均压电阻R1及第二静态均压电阻R2的电流应保证为SiC MOSFET漏电流的3～5倍。
为满足电路可靠工作的要求，稳压二极管D2的选取需满足：稳压二极管D2的稳压值应小于该SiC MOSFET中栅极与源极之间电压的最大值，并留有2V余量。

Claims (2)

1.一种SiC MOSFET串联驱动电路，其特征在于，包括第一驱动电源(G1)、第二驱动电源(G2)、高压二极管(D1)、加速电容(Csp)、第一SiC MOSFET管(Q1)、驱动电容(Cs)、第二静态均压电阻(R2)、第一静态均压电阻(R1)、第二SiC MOSFET管(Q2)及驱动电阻(Rg)；
第一驱动电源(G1)的高压端经高压二极管(D1)与加速电容(Csp)的一端、第一SiCMOSFET管(Q1)的栅极、驱动电容(Cs)的一端及第二静态均压电阻(R2)的一端相连接，加速电容(Csp)的另一端与第一静态均压电阻(R1)的一端及第一SiC MOSFET管(Q1)的漏极相连接，第一SiC MOSFET管(Q1)的源极与第一静态均压电阻(R1)的另一端及第二SiC MOSFET管(Q2)的漏极相连接，第二驱动电源(G2)的高压端与驱动电容(Cs)的另一端及驱动电阻(Rg)的一端相连接，驱动电阻(Rg)的另一端与第二SiC MOSFET管(Q2)的栅极相连接，第一驱动电源(G1)的低压端、第二驱动电源(G2)的低压端、第二静态均压电阻(R2)的另一端及第二SiC MOSFET管(Q2)的源极均接地。
2.根据权利要求1所述的SiC MOSFET串联驱动电路，其特征在于，第一SiC MOSFET管(Q1)的栅极与源极之间连接有稳压二极管(D2)。
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