CN110224696A - 驱动保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种驱动保护电路。该电路包括：门极驱动器；第一三极管，第一三极管的门极与门极驱动器的第一端口连接，第一三极管的漏极与门极驱动器的接地端连接；第二三极管，第二三极管的门极与门极驱动器的第二端口连接，第二三极管的漏极与门极驱动器的第三端口连接；第三稳压二极管，第三稳压二极管的正极与门极驱动器的第三端口连接，第三稳压二极管的负极与门极驱动器的第四端口连接；场效应晶体管，与门极驱动器的第四端口和第三稳压二极管的负极连接。通过本发明，达到了提高场效应晶体管的稳定性的效果。

Description

驱动保护电路
技术领域
本发明涉及电路领域，具体而言，涉及一种驱动保护电路。
背景技术
随着新一代宽禁带半导体工艺和结构上的不断发展，其中以SiC和GaN为代表的器件已经越来越多地应用到各个领域中，而SiC的MOS管应用更是广泛。SiCMOSFET具有开关频率高，体积小，耐高温等优点，但是高频运行的同时也带来了新的问题。SiC MOSFET本身的门极开通阈值电压就比较低，一般在2.2V左右，并且随着温度的上升，这个阈值电压会降低，那么开关管就更加容易在门极受到干扰时产生误导通的现象。
例如高频情况下关断时，系统上会产生很大的di/dt，此时会在门极杂散电感上产生电压，若超过阈值电压，则可能会发生误导通。而当SiC MOSFET用在上下桥臂的各种拓扑结构时，上下桥臂的开通和关断都会在相对应的桥臂上带来一定的电压变化，即在漏极源极之间产生一个很大的dv/dt，然后在MOS管的结电容上感生电流，此电流流过门极电阻，产生正向电压，若超过了门极的阈值电压，则也会发生误导通。
一些专利中提出使用三极管串联电容的方法，增加门极到低电位的电流通路，稳定电压，但是这种方法将会增加门极的开通时间，并且在门极回路上串入了电感，影响了门极结电容的充放电时间，不利于系统在高开关频率时的运行。
针对相关技术中场效应晶体管在高开关频率下容易误导通的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种驱动保护电路，以解决场效应晶体管在高开关频率下容易误导通的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种驱动保护电路，该电路包括：门极驱动器；第一三极管，所述第一三极管的门极与所述门极驱动器的第一端口连接，所述第一三极管的漏极与所述门极驱动器的接地端连接；第二三极管，所述第二三极管的门极与所述门极驱动器的第二端口连接，所述第二三极管的漏极与所述门极驱动器的第三端口连接；第三稳压二极管，所述第三稳压二极管的正极与所述门极驱动器的所述第三端口连接，所述第三稳压二极管的负极与所述门极驱动器的第四端口连接；场效应晶体管，与所述门极驱动器的第四端口和所述第三稳压二极管的负极连接。
进一步地，所述驱动保护电路还包括：电阻，所述电阻的第一端与所述门极驱动器的第四端口连接，所述电阻的第二端与所述第一三极管的源极、所述第二三极管的源极连接。
进一步地，所述驱动保护电路还包括：第一稳压二极管，所述第一稳压二极管的正极与所述门极驱动器的接地端连接，所述第一稳压二极管的负极与所述第一三极管的漏极连接。
进一步地，所述驱动保护电路还包括：第二稳压二极管，所述第二稳压二极管的正极与所述门极驱动器的第三端口连接，所述第二稳压二极管的负极与所述第二三极管的漏极连接。
进一步地，所述第一稳压二极管的击穿电压Vbr1，所述第二稳压二极管的击穿电压Vbr2和所述第三稳压二极管的击穿电压Vbr3满足以下条件：Vbr3＞Vbr1＞Vbr2。
进一步地，所述Vbr2的值与所述场效应晶体管的门极开通阈值电压的差值小于预设差值。
进一步地，在所述门极驱动器控制所述场效应晶体管在开通状态时，所述门极驱动器控制所述第一三极管和所述第二三极管关断。
进一步地，在所述门极驱动器控制所述场效应晶体管在关断状态时，所述门极驱动器检测所述场效应晶体管的门极电压Vg；判断Vg是否大于等于第一阈值且小于第二阈值；如果判断结果为是，则调节所述门极驱动器的第二端电压以打开第二三极管，将所述场效应晶体管的门极拉低至负压。
进一步地，如果Vg大于第二阈值，则调节所述门极驱动器的第一端电压以打开第一三极管，将所述场效应晶体管的门极拉低至零电位。
进一步地，所述场效应晶体管为SiC场效应晶体管。
本发明通过门极驱动器；第一三极管，第一三极管的门极与门极驱动器的第一端口连接，第一三极管的漏极与门极驱动器的接地端连接；第二三极管，第二三极管的门极与门极驱动器的第二端口连接，第二三极管的漏极与门极驱动器的第三端口连接；第三稳压二极管，第三稳压二极管的正极与门极驱动器的第三端口连接，第三稳压二极管的负极与门极驱动器的第四端口连接；场效应晶体管，与门极驱动器的第四端口和第三稳压二极管的负极连接，解决了场效应晶体管在高开关频率下容易误导通的问题，进而达到了提高场效应晶体管的稳定性的效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的驱动保护电路的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本发明实施例提供了一种驱动保护电路。
该电路包括：
门极驱动器，门极驱动器可以作为控制功率的器件；
第一三极管，第一三极管的门极与门极驱动器的第一端口连接，第一三极管的漏极与门极驱动器的接地端连接；
第二三极管，第二三极管的门极与门极驱动器的第二端口连接，第二三极管的漏极与门极驱动器的第三端口连接；第三稳压二极管，第三稳压二极管的正极与门极驱动器的第三端口连接，第三稳压二极管的负极与门极驱动器的第四端口连接；
场效应晶体管，与门极驱动器的第四端口和第三稳压二极管的负极连接，其中，场效应晶体管可以是SiC场效应晶体管，也可以是其他材料的场效应晶体管。
通过本发明实施例的技术方案，相当于设置了两个电压阈值，可以两个端口控制三极管的开关，以避免场效应晶体管的门极产生大的电压摆幅，减少门极振荡，提高场效应晶体管的稳定性。
可选的，驱动保护电路还包括：电阻，电阻的第一端与门极驱动器的第四端口连接，电阻的第二端与第一三极管的源极、第二三极管的源极连接。电阻的阻值大小可以根据具体的三极管的参数以及场效应晶体管的参数确定。
可选的，驱动保护电路还包括：第一稳压二极管，第一稳压二极管的正极与门极驱动器的接地端连接，第一稳压二极管的负极与第一三极管的漏极连接。
可选的，驱动保护电路还包括：第二稳压二极管，第二稳压二极管的正极与门极驱动器的第三端口连接，第二稳压二极管的负极与第二三极管的漏极连接。
可选的，第一稳压二极管的击穿电压Vbr1，第二稳压二极管的击穿电压Vbr2和第三稳压二极管的击穿电压Vbr3满足以下条件：Vbr3＞Vbr1＞Vbr2。
可选的，Vbr2的值与场效应晶体管的门极开通阈值电压的差值小于预设差值。
Vbr2的值要根据不同厂家的SiC场效应晶体管产品进行调节，保证在SiCMOSFET的门极开通阈值电压的值附近取值，才能起到保护的作用。这样既保留了原有传统的TVS二极管的钳位策略，又加入了新的驱动保护方法，且电路简单可靠，易于实现。
可选的，在门极驱动器控制场效应晶体管在开通状态时，门极驱动器控制第一三极管和第二三极管关断。
可选的，在门极驱动器控制场效应晶体管在关断状态时，门极驱动器检测场效应晶体管的门极电压Vg；判断Vg是否大于等于第一阈值且小于第二阈值；如果判断结果为是，则调节门极驱动器的第二端电压以打开第二三极管，将场效应晶体管的门极拉低至负压。
可选的，如果Vg大于第二阈值，则调节门极驱动器的第一端电压以打开第一三极管，将场效应晶体管的门极拉低至零电位。
本发明实施例的技术方案通过监控及比较门极电压的变化，判断门极是否产生过压以及过压的程度，经过保护电路的处理，将门极连接至不同的低电平保证关断，同时此过程中减缓了门极的振荡，达到保护门极的作用。
需要说明的是，本发明实施例的技术方案不仅适用于SiC MOSFET的应用，也同样适用于其他功率器件在高开关频率运行时，需要进行门极驱动保护的场合。
本发明实施例还提供了一种优选实施方式，图1是根据本发明实施例的驱动保护电路的示意图，在图1中，第一三极管对应Q1，第二三极管对应Q2，门极驱动器第一端对应S1，第二端对应S2，接地端对应Gnd，第三端对应Vg，第四端对应Vee，如图1所示：
目前常用SiC MOSFET驱动会使用正压和负压，设整体电压摆幅为Vf，Vcc为SiCMOSFET所用正电平，Vee为SiC MOSFET所用负电平，Gnd为零电位，则有：
Vf＝|Vcc|+|Vee|
而常用的门极钳位方法是直接在门极连接一个TVS二极管到低电平位上，选用的TVS管保护电压是在门极所能承受的范围内，但是该方法没有考虑到门极受到干扰时程度的深浅，即门极电压摆幅的大小，例如门极电压升压，会升压到大小不同的电压值，若是用传统的单个TVS管下拉电压，则门极升压较高时下拉电压的摆幅将会比门极升压相对较低时的下拉电压的摆幅更大，也就是会产生一个相对较大的dv/dt的值，门极的线路上的寄生电容将会对它有所反应，感生大电流，也就是会加剧门极的振荡，所以考虑利用上SiC驱动使用了负压的条件，当SiC MOSFET关断时，将门极电压值在驱动部分进行一个阈值的比较，判断过压的程度，即设置两个电压阈值第一阈值VH和第二阈值VL，VH大于VL，且两个值都要在门极能够承受的最大电压范围内。
若是过压较高即Vg大于或等于VH时，则通过引脚S1将三极管Q1打开，将门极连接至TVS二极管D1，即Gnd电平；若是过压较低即Vg大于或等于VL且小于VH时，则通过引脚S2将三极管Q2打开，将门极连接至TVS二极管D2，即Vee电平。如此就可以避免在保护时，门极产生大的电压摆幅，加剧门极的振荡，同时门极过压较低时，也能拉至负压快速地关断，起到一个相对软关断的作用。
具体实施方式如下：
第一步骤，若此时控制器控制MOSFET在开通状态，进入步骤二；若此时控制器控制MOSFET在关断状态，则进入步骤三。
第二步骤，驱动器控制Q1和Q2关断，门极受到TVS管D3的保护。
第三步骤，门极驱动器部分检测门极的电压，若门极电压Vg大于或等于VL且小于VH，进入步骤四；若门极电压Vg大于或等于VH，进入步骤五。
第四步骤，此时门极电压Vg的升压幅度较小，控制S2打开三极管Q2，将门极拉低至负压Vee。
第五步骤，此时门极电压Vg的升压幅度较大，控制S1打开三极管Q1，将门极拉低至零电位Gnd。
要注意的是，TVS二极管D1，D2和D3的击穿电压Vbr1，Vbr2和Vbr3要满足以下限制条件：Vbr3＞Vbr1＞Vbr2，
且要注意Vbr2的值要根据不同厂家的SiC产品进行调节，保证在SiC MOSFET的门极开通阈值电压的值附近取值，才能起到保护的作用。
此方法既保留了原有传统的TVS二极管的钳位策略，又加入了新的驱动保护方法，且此电路简单可靠，易于实现，解决了SiC MOSFET在高开关频率下的容易误导通的问题，提升了SiC MOSFET的使用寿命，相比于传统的MOSFET驱动保护策略，本发明实施例的技术方案实现方法简单可靠，提高了SiC功率器件的使用寿命，减轻门极的振荡现象，提升整体系统的控制稳定性。
还需要说明的是，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、商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、商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，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种驱动保护电路，其特征在于，包括：
门极驱动器；
第一三极管，所述第一三极管的门极与所述门极驱动器的第一端口连接，所述第一三极管的漏极与所述门极驱动器的接地端连接；
第二三极管，所述第二三极管的门极与所述门极驱动器的第二端口连接，所述第二三极管的漏极与所述门极驱动器的第三端口连接；
第三稳压二极管，所述第三稳压二极管的正极与所述门极驱动器的所述第三端口连接，所述第三稳压二极管的负极与所述门极驱动器的第四端口连接；
场效应晶体管，与所述门极驱动器的第四端口和所述第三稳压二极管的负极连接。
2.根据权利要求1所述的驱动保护电路，其特征在于，所述驱动保护电路还包括：
电阻，所述电阻的第一端与所述门极驱动器的第四端口连接，所述电阻的第二端与所述第一三极管的源极、所述第二三极管的源极连接。
3.根据权利要求2所述的驱动保护电路，其特征在于，所述驱动保护电路还包括：
第一稳压二极管，所述第一稳压二极管的正极与所述门极驱动器的接地端连接，所述第一稳压二极管的负极与所述第一三极管的漏极连接。
4.根据权利要求3所述的驱动保护电路，其特征在于，所述驱动保护电路还包括：
第二稳压二极管，所述第二稳压二极管的正极与所述门极驱动器的第三端口连接，所述第二稳压二极管的负极与所述第二三极管的漏极连接。
5.根据权利要求4所述的驱动保护电路，其特征在于，所述第一稳压二极管的击穿电压Vbr1，所述第二稳压二极管的击穿电压Vbr2和所述第三稳压二极管的击穿电压Vbr3满足以下条件：Vbr3＞Vbr1＞Vbr2。
6.根据权利要求5所述的驱动保护电路，其特征在于，所述Vbr2的值与所述场效应晶体管的门极开通阈值电压的差值小于预设差值。
7.根据权利要求1所述的驱动保护电路，其特征在于，在所述门极驱动器控制所述场效应晶体管在开通状态时，所述门极驱动器控制所述第一三极管和所述第二三极管关断。
8.根据权利要求1所述的驱动保护电路，其特征在于，在所述门极驱动器控制所述场效应晶体管在关断状态时，
所述门极驱动器检测所述场效应晶体管的门极电压Vg；
判断Vg是否大于等于第一阈值且小于第二阈值；
如果判断结果为是，则调节所述门极驱动器的第二端电压以打开第二三极管，将所述场效应晶体管的门极拉低至负压。
9.根据权利要求8所述的驱动保护电路，其特征在于，
如果Vg大于第二阈值，则调节所述门极驱动器的第一端电压以打开第一三极管，将所述场效应晶体管的门极拉低至零电位。
10.根据权利要求1所述的驱动保护电路，其特征在于，所述场效应晶体管为SiC场效应晶体管。
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