CN111181362B - 高抗扰SiC MOSFET驱动电路及工作方法 - Google Patents

高抗扰SiC MOSFET驱动电路及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高抗扰SiC MOSFET驱动电路及工作方法，包括：依次串联连接的用于产生负压的负压产生电路、用于调整充放电回路栅极电阻阻值的可变栅极电阻、以及正负压串扰尖峰吸收电路；本发明电路能够快速吸收正压尖峰和负压尖峰，仿真结果表明能够有效抑制串扰，抗扰性强，保证SiC器件和功率变换拓扑的可靠工作。

Description

高抗扰SiC MOSFET驱动电路及工作方法
技术领域
本发明涉及宽禁带半导体器件驱动技术领域，尤其涉及一种高抗扰SiC MOSFET驱动电路及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
作为第三代宽禁带半导体的代表性器件，SiC MOSFET具有开关速度快、关损耗低、耐压高等显著优势，是提高功率变换器效率和功率密度等性能的有效途径。然而，由于SiCMOSFET开关速度高和寄生电容等的存在，在器件开关瞬态会产生较高的dv/dt，从而引发电压尖峰，严重威胁功率器件和拓扑的安全。这也就是常说的桥臂串扰问题，是研究解决的热点和难点。
目前主要有三种串扰抑制方法：
1、增大栅源极电容值，即在器件的栅源极并联额外的大电容为米勒电流提供分流支路来抑制电压尖峰，但同时会增大开关管的开通和关断时间，降低器件开关速度；
2、减小栅极电阻值，来降低米勒电流产生的串扰电压，但在开关管关断期间会引发开关振荡；
3、设计有源米勒箝位驱动电路，灵活可控性好，但是桥臂电路中开关管关断速度过快造成互补开关管的负向串扰尖峰严重。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种高抗扰SiC MOSFET驱动电路及工作方法，不仅能够在大幅减小串扰电压的同时保证开关速度，而且没有引入额外电压源及额外控制元件等，还可自动产生负压保证SiC器件的可靠关断。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种高抗扰SiC MOSFET驱动电路，包括：依次串联连接的用于产生负压的负压产生电路、用于调整充放电回路栅极电阻阻值的可变栅极电阻、以及正负压串扰尖峰吸收电路；
所述正负压串扰尖峰吸收电路包括依次串联连接的负压尖峰吸收电路和正压尖峰吸收电路；所述负压尖峰吸收电路包括三极管Q2、连接在三极管Q2发射极和SiC MOSFET源极之间电阻R6、连接在三极管Q2基极和发射极之间的电阻R4、以及连接在三极管Q2集电极和正压尖峰吸收电路之间的电容C2与二极管D2的并联支路。
进一步地，所述正压尖峰吸收电路包括三极管Q1、连接在三极管Q1基极和发射极之间的电阻R5、以及连接在三极管Q1集电极和SiC MOSFET源极之间的电容C3。
进一步地，所述负压产生电路包括：驱动电源、推挽电路和RC并联分压电路；
所述推挽电路包括上NPN型三极管S1和下PNP型三极管S2，驱动电源正极与三极管S1的集电极相连，驱动电源负极与三极管S2的集电极相连；所述 RC并联分压电路连接在推挽电路的中点处。
所述RC并联分压电路包括：并联连接的电阻R1和电容C1、以及与R1、 C1并联的电阻R2。
进一步地，所述可变栅极电阻包括：并联连接的二极管D1和电阻R3；所述电阻R3一端连接负压产生电路的RC并联分压电路，另一端连接负压尖峰吸收电路。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种半桥电路，包括：由SiC MOSFET构成的上桥臂和下桥臂；所述SiC MOSFET均采用上述的高抗扰SiC MOSFET驱动电路。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种半桥电路的工作方法，包括：
上桥臂MOSFET开关管完全关断，下桥臂MOSFET开关管完全导通时，驱动电源为下桥臂MOSFET开关管的栅源极电容充电，同时充电电流为下桥臂负压产生电路的分压电容充电；负压尖峰吸收电路的三极管Q2导通，串扰抑制电容C2不接入回路；
下桥臂MOSFET开关管关断，上桥臂MOSFET开关管开始关断时，负压尖峰吸收电路的三极管Q2导通，串扰抑制电容C2接入回路，用于吸收电流，消除负向电压尖峰。
下桥臂MOSFET开关管关断，上桥臂MOSFET开关管开始导通时，驱动电源为上桥臂MOSFET开关管的栅源极电容充电，同时充电电流为上桥臂负压产生电路的分压电容充电。
下桥臂负压产生电路的分压电容为下桥臂MOSFET开关管提供关断负压，正压尖峰吸收电路导通，其串扰抑制电容接入回路，用于吸收上桥臂MOSFET 开关管误导通电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明电路能够快速吸收正压尖峰和负压尖峰，仿真结果表明能够有效抑制串扰，抗扰性强，保证SiC器件和功率变换拓扑的可靠工作。
2.本发明通过引入二极管D2和电阻R6，所提驱动电路仅在同一桥臂互补开关管开关状态变化时引入串扰抑制电容C2或C3。而在桥臂开关管的其他工作阶段，串扰抑制电容不会引入电路，这样既能保证串扰抑制效果，又不会产生额外的能量损耗。
3.本发明所提驱动电路及工作方法解决了传统关断负压自产生电路需要设置预充电周期而导致开关时间长、工作方式复杂的问题，效果好。
4.本发明所提方法不会引入额外的有源器件和控制器，可靠性高。
附图说明
图1为本发明实施例在开始时一周期内的电压波形与开关波形图；
图2为本发明实施例应用于半桥电路的SiC MOSFET串扰抑制驱动电路结构示意图；
图3(a)-(d)分别为本发明实施例t3时刻与t3-t4时段、t4-t5时段、t5时刻和 t5-t6时段、以及t2-t3和t6-t7时段的电路工作状态等效图；
图4为本发明实施例t1时刻下桥臂MOSFET开通过程的电路工作等效模型；
图5为本发明实施例串扰抑制驱动电路仿真波形图；
图6为本发明实施例SiC MOSFET开关管开通过程仿真波形图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种高抗扰SiC MOSFET驱动电路，参照图2，包括：依次串联连接的负压产生电路、可变栅极电阻和正负压串扰尖峰吸收电路；
具体地，负压产生电路包括：前端驱动电源、推挽电路、RC并联分压电路。推挽电路包括上NPN型三极管S1和下PNP型三极管S2，驱动电源正极与推挽电路的上管S1的集电极相连，驱动电源负极与下管S2的集电极相连。RC并联分压电路连接在推挽电路的中点处。RC并联分压电路包括并联结构的电阻R1 和电容C1，以及与R1、C1并联的电阻R2。
正负压串扰尖峰吸收电路包括依次串联连接的负压尖峰吸收电路和正压尖峰吸收电路，其中，负压尖峰吸收电路一端与RC并联分压电路连接，另一端与正压尖峰吸收电路连接，正压尖峰吸收电路连接SiC MOSFET开关管。
正压吸收电路包括：电阻R5、电容C3、PNP三极管Q1。电阻R5一端连接在Q1的基极，另一端连接至Q1的发射极；所述三极管Q1的发射极与桥臂开关管SiC MOSFET的栅极相连；电容C3一端连接至SiC MOSFET的源极，另一端连至三极管Q1的集电极。
负压尖峰吸收电路包括电阻R4、电阻R6、电容C2、二极管D2和PNP三极管Q2。电阻R4的一端连至Q2的基极，另一端与Q2发射极相连；二极管 D2与电容C2并联连接，二极管D2极性为下正上负；电阻R6一端与Q2发射极连接，另一端连至桥臂SiC MOSFET的源极；电容C2一端接至三极管Q2的集电极，另一端与前述电阻R5相连接。
可变栅极电阻包括二极管D1和电阻R3，两者并联连接，用于调整充放电回路的栅极电阻阻值。电阻R3一端与电阻R1相连，另一端与前述电阻R5相连。
图1给出了本发明在开始工作时一工作周期内的电压波形与开关波形。其中S1_H与S1_L为上下桥臂SiC MOSFET的驱动信号，Vgs_L和Vds_L分别为下桥臂SiC MOSFET的栅源极电压波形和漏源极电压波形。
结合图1各开关模态进一步分析电路的工作原理，图3(a)-(d)给出了本发明驱动电路在一些开关模态阶段的工作等效示意图。
在开关模态t0-t1时段内，开关S2_H、S1_L开通，MOS_H完全关断，MOS_L 完全导通，驱动电源Vs_L为MOS_L的栅源极电容Cgs充电，同时充电电流流经C1_L、R1_L、R2_L的分压电路，为C1_L充电。充电电流流经R4_L时在三极管Q2_L基极与发射极之间产生压降，三极管Q2_L导通。此时二极管D2_L 将电容C2_L短路，仅有R6_L接入驱动回路，R6_L并联在下桥臂MOSFET栅源极两端，不仅防止了栅极电压过冲，还减小了di/dt改善EMC。在下桥臂MOS_L 完全导通阶段，驱动回路中仅引入C1_L一个容性负载。
t1时刻，半桥电路下桥臂开关管MOS_L开始关断，推挽电路三极管S2_L 开通，S1_L关断。电容C1_L提供关断负压，由于C1_L，R1_L，R2_L组成的RC并联网络的RC时间常数远大于开关周期，C1_L没有放电动作。因此，三极管Q1_L与Q2_L均不满足导通条件。从而下桥臂MOS_L关断时不引入容性负载，C1_L提供负压加速关断，开关管MOS_L的关断速度不会受到影响。
在开关模态t1-t2时段内，推挽电路三极管S2_H、S2_L开通，MOS_H仍然完全关断，MOS_L开始关断，并于t2时刻完全关断。此时段内，电容C1_L加速关断过程，关断回路仅有阻性负载，避免关断过程发生振荡。
在开关模态t2-t3时段内，推挽电路三极管S2_H、S2_L开通，MOS_H和 MOS_L均处于关断状态，此阶段为驱动信号预留的死区时间段。
t3时刻，半桥上开关管MOS_H开始导通，前端驱动电源为MOS_H的栅源极电容Cgs充电，同时前端驱动电源的充电电流流经C1_H、R1_H、R2_H分压电路为电容C1_H充电。同t1时刻的原理分析，MOS_H开通过程不引入其他容性参数。电阻R6_H并联接在MOS_H栅源极，减小上桥臂MOS_H开通过程的 di/dt值，改善电路EMC。这一阶段MOS_L的驱动电路吸收正压尖峰，一方面，电容C1_L为MOS_L提供关断负压，另一方面，上管MOS_H开通瞬间在MOS_L 米勒电容上产生的误导通电流流经R5_L，在PNP三极管Q1_L的基极与发射极间产生压降，使得Q1_L开通，电容C3_L接入电路，吸收误导通电流。C3_L 与关断负压共同作用，消除串扰带来的正向尖峰。值得注意的是，当MOS_L处于关断状态，电容C1_L为开关管提供关断负压，若Cgs_L电势小于C1_L两端电势，会有一短暂的放电回路，因此需要使RC网络的时间常数远大于开关周期。从而保证C1_L两端电压稳定。
开关模态t3-t4时段内，推挽电路三极管S1_H、S2_L开通，因为除C1_H和上桥臂MOSFET栅源极电容Cgs外，上桥臂MOSFET开关管MOS_H驱动回路无容性负载引入，因此开通速度不会受到影响，下桥臂MOSFET开关管MOS_L 保持关断，并由下桥臂开关管驱动电路吸收正压尖峰。
开关模态t4-t5时段内，推挽电路三极管S1_H、S2_L开通，MOS_H完全导通，MOS_L完全关断。电容C1_L使MOS_L栅源极保持负压关断状态，MOS_H 驱动电压稳定。
t5时刻，上桥臂MOSFET开关管MOS_H开始关断，这一阶段下桥臂 MOSFET开关管MOS_L无源驱动电路吸收负压尖峰。此阶段主电路感性负载续流电流流经R4_L，在PNP三极管Q2_L的基极与发射极间形成压降，使得 Q2_L导通，电容C2_L接入电路，用于吸收续流电流，进而消除续流流经驱动阻抗所产生的负向电压尖峰。
开关模态t5-t6时段内，在t6时刻，上桥臂MOS_H关断完毕，在整个关断时段，三极管Q1_H、Q2_H均不满足开通条件，因此没有容性负载引入MOS_H 的关断回路，关断时间不会受到影响。下桥臂MOS_L始终处于关断状态，MOS_L 的驱动回路同样不引入多余容性负载，不会造成额外开关损耗。
开关模态t6-t7时段内，此时推挽电路三极管S2_H、S2_L开通，上桥臂 MOS_H和下桥臂MOS_L均处于关断状态，此阶段为驱动信号预留的死区时间段。
开关模态t7-时段内：t7时刻，下管MOS_L开始导通，此阶段MOS_H保持关断状态，半桥电路开始又一个周期。
分析桥臂上开关管导通瞬态驱动器工作状态，如图4所示，驱动电源为电容 C1_H和Cgs_H的充电等效模型为：
Figure GDA0002512767670000081
Igs(s)(R3_L+Req)+VCgs(s)＝(Is(s)-Igs(s))R2_L (2)
Figure GDA0002512767670000091
求解方程组得到VC1_L的频域表达式：
Figure GDA0002512767670000092
其中，A1＝R2_L+Req+R3_L，A2＝R3_L+Req，A3＝C1_LR2_L
由时域频域的关系，可以得到稳定后所设计无源辅助电路自产生的负压幅值与电路参数的关系。
Figure GDA0002512767670000093
通过分析上开关管MOS_H开通瞬间时辅助电路工作情况，表明电阻R1_H、 R2_H、电容C1_H组成的RC并联网络具有自产生关断负压的作用。同理，下开关管MOS_L开通时的工作情况与之相同。
本发明实施例提出的驱动电路，在三极管Q2发射极串联一电阻R6，同时在电容C2两端反向并联一二极管D2，保证了在上桥臂MOSFET或下桥臂 MOSFET开通过程中，电容C2不会引入驱动回路而导致额外开通损耗。并且当桥臂开关管开通时，对应驱动电路中电阻R6并联在开关管栅源极两端，可减小开通过程的di/dt，进而改善开通过程的EMC。
图5给出了仿真波形是在LTspice仿真软件里搭建的，采用Cree公司的C2M0040120D型号SiC MOSFET进行仿真。针对所提出的SiC MOSFET串扰抑制驱动电路结构进行参数设计，具体设计负压产生电路的RC并联分压网络参数，保证RC时间常数远大于设定开关周期，设计正压尖峰，负压尖峰吸收电容C2，C3参数，保证其数量级远大于SiCMOSFET栅源极电容，仿真结果显示应用本发明提出的驱动电路，在桥臂结构中，开关管负向串扰电压尖峰仅为-7.3V，正向串扰电压尖峰仅为-2.5V，并且图6所示SiC MOSFET开通时间仅为42.7ns 左右。达到了保护桥臂SiC MOSFET正常工作的效果，并且开关管开通关断时间未受影响。
本发明实施例无需在驱动电路工作中设计预充电阶段，针对电容C1的充电跟随相应桥臂MOSFET的开通而进行，经由几个半桥开关周期后，C1将得到稳定的电压。需要说明的是，在仿真中，本发明提出的驱动电路具有良好的正压尖峰和负压尖峰吸收效果，在电路开始运行的前几个周期里，此时C1电压未达到稳定，而由于设计中的正压尖峰消除电路的引入，使得正压尖峰的绝对值仅为2.3V，因此，在电路开始工作C1两端电压不稳的情况下，同样不会造成直通现象。这表明本发明在设计工作方式中无需预充电阶段的合理性。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种半桥电路，其包括：由SiC MOSFET 构成的上桥臂和下桥臂；SiC MOSFET均采用实施例一中所述的高抗扰SiC MOSFET驱动电路。
同时，公开了上述半桥电路的工作方法，该工作方法与实施例一种公开的工作方法相同，不再赘述。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种高抗扰SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，包括：依次串联连接的用于产生负压的负压产生电路、用于调整充放电回路栅极电阻阻值的可变栅极电阻、以及正负压串扰尖峰吸收电路；
所述正负压串扰尖峰吸收电路包括依次串联连接的负压尖峰吸收电路和正压尖峰吸收电路；所述负压尖峰吸收电路包括三极管Q2、连接在三极管Q2发射极和SiC MOSFET源极之间电阻R6、连接在三极管Q2基极和发射极之间的电阻R4、以及连接在三极管Q2集电极和正压尖峰吸收电路之间的电容C2与二极管D2的并联支路；
所述二极管D2的阳极与电容C2的一端连接，二极管D2的阴极与电容C2的另一端连接，电容C2的一端与正压尖峰吸收电路的一端相连接，电容C2的另一端连接至三极管Q2的集电极，三极管Q2的发射极连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接至SiC MOSFET的源极及正压尖峰吸收电路的另一端；电阻R4的一端连至三极管Q2的基极，电阻R4的另一端与电阻R6的另一端相连。
2.如权利要求1所述的一种高抗扰SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，所述正压尖峰吸收电路包括三极管Q1、连接在三极管Q1基极和发射极之间的电阻R5、以及连接在三极管Q1集电极和SiC MOSFET源极之间的电容C3。
3.如权利要求1所述的一种高抗扰SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，所述负压产生电路包括：驱动电源、推挽电路和RC并联分压电路；
所述推挽电路包括上NPN型三极管S1和下PNP型三极管S2，驱动电源正极与三极管S1的集电极相连，驱动电源负极与三极管S2的集电极相连；所述RC并联分压电路连接在推挽电路的中点处。
4.如权利要求3所述的一种高抗扰SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，所述RC并联分压电路包括：并联连接的电阻R1和电容C1、以及与R1、C1并联的电阻R2。
5.如权利要求4所述的一种高抗扰SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，所述RC并联分压电路的时间常数大于MOSFET开关管的开关周期。
6.如权利要求1所述的一种高抗扰SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，所述可变栅极电阻包括：并联连接的二极管D1和电阻R3；所述电阻R3一端连接负压产生电路的RC并联分压电路，另一端连接负压尖峰吸收电路。
7.一种半桥电路，其特征在于，包括：由SiC MOSFET构成的上桥臂和下桥臂；所述SiCMOSFET均采用权利要求1-6任一项所述的高抗扰SiC MOSFET驱动电路。
8.一种半桥电路的工作方法，其特征在于，包括：
上桥臂MOSFET开关管完全关断，下桥臂MOSFET开关管完全导通时，驱动电源为下桥臂MOSFET开关管的栅源极电容充电，同时充电电流为下桥臂负压产生电路的分压电容充电；负压尖峰吸收电路的三极管Q2导通，串扰抑制电容C2不接入回路；
下桥臂MOSFET开关管关断，上桥臂MOSFET开关管开始关断时，负压尖峰吸收电路的三极管Q2导通，串扰抑制电容C2接入回路，用于吸收电流，消除负向电压尖峰；
所述负压尖峰吸收电路包括三极管Q2、连接在三极管Q2发射极和SiC MOSFET源极之间电阻R6、连接在三极管Q2基极和发射极之间的电阻R4、以及连接在三极管Q2集电极和正压尖峰吸收电路之间的电容C2与二极管D2的并联支路；
所述二极管D2的阳极与电容C2的一端连接，二极管D2的阴极与电容C2的另一端连接，电容C2的一端与正压尖峰吸收电路的一端相连接，电容C2的另一端连接至三极管Q2的集电极，三极管Q2的发射极连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接至SiC MOSFET的源极及正压尖峰吸收电路的另一端；电阻R4的一端连至三极管Q2的基极，电阻R4的另一端与电阻R6的另一端相连。
9.如权利要求8所述的一种半桥电路的工作方法，其特征在于，下桥臂MOSFET开关管关断，上桥臂MOSFET开关管开始导通时，驱动电源为上桥臂MOSFET开关管的栅源极电容充电，同时充电电流为上桥臂负压产生电路的分压电容充电。
10.如权利要求9所述的一种半桥电路的工作方法，其特征在于，下桥臂负压产生电路的分压电容为下桥臂MOSFET开关管提供关断负压，正压尖峰吸收电路导通，其串扰抑制电容接入回路，用于吸收上桥臂MOSFET开关管误导通电流。
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