CN111404411B - 一种抑制串扰的三电平有源驱动电路 - Google Patents

一种抑制串扰的三电平有源驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路，其中，该三电平有源驱动电路与SiC MOSFET的栅源极连接，可以用于SiC等宽禁带半导体器件在上下桥臂电路中的高速驱动，包括：驱动推挽电路、驱动电阻、脉冲产生电路和零压钳位电路。其中，推挽电路用于产生控制SiC MOSFET的栅源极电压，脉冲产生电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容和第一电压比较器，零压钳位电路包括第一P沟道MOSFET，第一二极管。该三电平有源驱动电路能够通过优化驱动电压有效地抑制桥臂电路中SiCMOSFET的栅源极电压产生的串扰问题，使得正负向栅源电压尖峰均保持在安全阈值之内。

Description

一种抑制串扰的三电平有源驱动电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路。
背景技术
由于SiC MOSFET具有较低的导通电阻和较快的开关速度，这使得电力电子变换器具有高频、高效和高功率密度的特性。但是，在同步DC-DC以及三相DC-AC变换器中，上桥臂和下桥臂的SiC MOSFET在开关瞬态期间产生的高dv/dt将导致SiC MOSFET栅源电压vgs具有较大的尖峰和振荡。由于SiC MOSFET的正向阈值电压较低，正向的电压尖峰可能导致SiCMOSFET误导通，从而使得上下桥臂直通。直通电流不仅会增加额外的开关损耗，甚至会击穿SiC MOSFET。另外，过大的负向电压尖峰使得SiC MOSFET门极承受较大的电压应力，导致器件损坏。因此，在桥臂电路中，为了充分利用SiC MOSFET的优势，串扰必须得到抑制。
目前已经存在的抑制串扰的方法，它们可以主要分为三类：1)降低栅极电阻或增加栅极-源极电容；2)采用负压驱动；3)施加多电平驱动电压。但是，如果仅降低栅极电阻或增加栅极-源极电容，就会影响SiC MOSFET的开关速度。采用负压驱动的方法尽管可以将正向的栅源电压峰值控制在阈值电压以下，但是较大的负向电压尖峰将加剧栅源极的电压应力。同时，目前采用的多电平驱动的方法，都需要增加额外的控制辅助开关，这大大增加了控制的复杂性。
因此合理的设计适合高速宽禁带器件的驱动成为宽禁带器件应用的关键。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路，该三电平有源驱动电路能够通过优化驱动电压有效地抑制桥臂电路中SiC MOSFET的栅源极电压产生的串扰问题，从而使得正负向栅源电压尖峰均保持在安全阈值之内。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路，包括：驱动推挽电路，用于产生控制SiC MOSFETs的栅源极电压vgs；驱动电阻，所述驱动电阻Rg的一端经过第一节点与所述驱动推挽电路串联，所述驱动电阻Rg的另一端与所述SiC MOSFET的栅极相连；脉冲产生电路，所述脉冲产生电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和第一电压比较器U1，其中，所述第一电阻R1的一端与-5V相连，所述第一电阻R1的另一端经过第二节点与所述第二电阻R2的一端串联，所述第二电阻R2的另一端与所述第一节点相连，所述第三电阻R3的一端与-5V相连，所述第三电阻R3的另一端经过第三节点与所述第四电阻R4的一端串联，所述第四电阻R4的另一端接地，所述第一电容C1的一端与所述第二节点相连，所述第一电容C1的一端与-5V相连，所述第一电压比较器U1的正输入端Vin+与所述第二节点相连，所述第一电压比较器U1的负输入端Vin-与所述第三节点相连；零压钳位电路，所述零压钳位电路包括第一P沟道MOSFET Qp和第一二极管D1，其中，所述第一P沟道MOSFET Qp的一端接地，所述第一P沟道MOSFET Qp的另一端与所述第一二极管D1串联，所述第一二极管D1的另一端与所述第四节点相连。
本发明实施例的抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路，一方面，当正向串扰栅源电压尖峰出现时，将栅极电压保持在安全的负压-5V，在防止SiC MOSFET误触发的同时还能保证其快速关断；另一方面，当负向串扰栅源电压尖峰出现时，通过零压钳位电路将SiC MOSFET的栅源电压从-5V上拉至0V，在抑制负向栅源电压尖峰的同时还能保证其快速导通。综合两个方面，串扰的正、负向电压尖峰都将限制在安全的电压范围之内。
另外，根据本发明上述实施例的抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一P沟道MOSFET Qp漏源极的耐压值大于所述栅源极电压vgs。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一电压比较器的输出作为所述零压钳位电路的输入。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一电压比较器U1输出电压小于所述第一P沟道MOSFET Qp的栅源极电压vgs。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一电压比较器U1输出电压小于所述第一P沟道MOSFET Qp的栅源极电压vgs。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的一种抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的三电平有源驱动电路的逻辑时序图；
图3为传统负压驱动电路的结构示意图；
图4(a)、图4(b)分别为根据本发明实施例的实现三电平有源驱动电路硬件电路结构图以及对应的实验波形；
图5为根据本发明实施例的三电平有源驱动电路应用的同步Buck变换器模型；
图6为传统负压驱动电路应用在同步Buck变换器中时，上、下桥臂SiC MOSFET的栅源极电压vgs波形；
图7为根据本发明实施例的三电平有源驱动电路应用在同步Buck变换器下桥臂中时，上、下桥臂SiC MOSFET的栅源极电压vgs波形；
图8为传统负压驱动电路应用在同步Buck变换器中，下桥臂SiC MOSFET的漏源极电压vds和栅源极电压vgs实验波形；
图9为根据本发明实施例的将三电平有源驱动电路应用在同步Buck变换器中，下桥臂SiC MOSFET的漏源极电压vds和栅源极电压vgs实验波形；
图10(a)、图10(b)分别为根据本发明实施例的三电平有源驱动电路与传统负压驱动电路下桥臂SiC MOSFET正向和负向栅源电压尖峰对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例在传统驱动技术的基础上，提出一种抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路，一方面，当正向串扰栅源电压尖峰出现时，将栅极电压保持在安全的负压-5V，在防止SiC MOSFET误触发的同时保证其快速关断；另一方面，当负向串扰栅源电压尖峰出现时，通过零压钳位电路将SiC MOSFET的栅源电压从-5V上拉至0V，在抑制负向栅源电压尖峰的同时还能保证其快速导通。综合两个方面，串扰的正、负向电压尖峰都将限制在安全的电压范围之内。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路。
图1是本发明一个实施例的抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路的结构示意图。
如图1所示，该抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路，可以用于SiC等宽禁带半导体器件在上下桥臂电路中的高速驱动，该三电平有源驱动电路包括：驱动推挽电路、驱动电阻、脉冲产生电路和零压钳位电路。
其中，驱动推挽电路，用于产生控制SiC MOSFETs的栅源极电压vgs，栅源极电压优选-5V～20V；
驱动电阻Rg可用于调节SiC MOSFET的开通和关断速度，的驱动电阻Rg一端经过第一节点与驱动推挽电路串联，驱动电阻Rg的另一端与SiC MOSFET的栅极相连；
零压钳位电路包括第一P沟道MOSFET Qp和第一二极管D1，Qp用于在关断状态期间产生0V的栅极电压。当Qp导通时，栅源极电压钳位到0V。与之串联第一二极管D1用于阻断正栅极电压以及Qp体二极管的反向导通；
脉冲产生电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和第一电压比较器U1，具体而言，各器件功能可分为以下三类：
(1)原始的栅极驱动器输出电压可用作第一电压比较器U1的输入，由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4构成的分压电路用以保护U1免受过压击穿。
(2)由于在关断信号到来的同一时刻不会发生栅极电压的0V钳位，因此无法直接使用关断状态的栅极驱动器IC输出电压，因此可以通过第一电阻R1和第一电容C1电路延迟关断状态的栅极电压。
(3)第一电压比较器U1的输出信号即为第一P沟道MOSFET Qp的输入信号。
可以理解的是，本发明实施例的三电平驱动电路由专用的驱动电源供电，优选的驱动电压为-5V～+20V。
进一步地，在本发明的一个实施例中，第一P沟道MOSFET Qp型号优选为BSS315P。本发明实施例的三电平驱动电路的第一电压比较器U1，型号优选为MAX9203。三电平驱动电路的串扰抑制电路中的二极管型号优选为MBR0530。
需要说明的是，本发明实施例的多电平有源驱动电路同样适用于SiMOSFET、GaNHEMT、IGBT等功率器件。
综上，本发明实施例提出的抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路，一方面，通过在正向串扰发生时，使得SiC MOSFET的栅源电压为负压来抑制正向栅源电压尖峰，在负向尖峰发生时，通过零压钳位电路使得SiC MOSFET的栅源电压钳位到0V来抑制负向栅源电压尖峰，从而将串扰的正负向尖峰限制在安全的电压之内。
图2是本发明一个实施例的抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路的逻辑时序图。
如图2所示，该抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路的具体实现方法概括为以下步骤：
t0-t1期间，原始的栅极驱动器输出电压为20V，此时第一电压比较器的U1的负输入电压Vin-被设置为恒定的负电压(本发明实施例设置为-2V，可通过第三电阻R3和第四电阻R4进行调节)。在导通状态下，第一电压比较器的U1正输入电压Vin+高于负输入电压Vin-。因此，第一电压比较器的输出为高电平电压0V，第一P沟道MOSFET Qp关断，零压钳位电路被Qp和第一二极管D1阻断；
t1-t2期间，当栅极关断信号到来时，原始的栅极驱动器输出电压-5V将同时使SiCMOSFET栅源极电容Cgs和由第一电阻R1和第一电容C1构成的延时电路放电。由于R1C1电路导致的延迟，SiC MOSFET栅极电压已经放电至-5V，而第一电压比较器的正输入电压Vin+逐渐降低。在此期间，Vin+仍高于负输入电压Vin-。零压钳位电路仍然被第一P沟道MOSFET Qp和第一二极管D1阻断。此时的负栅源极vgs有助于SiC MOSFET更快地关断，此外，当栅极正尖峰到来时，它可保护器件免受误触发。；
t2-t3期间，Vin+下降至Vin-以下，此时第一电压比较器U1的输出为低电平电压-5V。第一P沟道MOSFET Qp导通，通过钳位电路将SiC MOSFET钳位到0V。SiC MOSFET的栅极电压从-5V上升到0V。当栅极电压设为0V时，负向电压尖峰很难超过栅极所能承受负电压的极限。值得一提的是，可以通过改变第一电阻R1和第一电容C1的值来设置时间段t2～t3，这增加了该三电平驱动电路的灵活性；
t3-t4期间，一旦栅极电压变为20V，零压钳位电路将立即被第一二极管D1阻断。同时，20V电源将为R1C1电路充电。第一P沟道MOSFET Qp的正输入端Vin+逐渐增加。当其高于Vin-时，第一电压比较器U1的输出为0V。第一P沟道MOSFET Qp关断。
另外，图3为传统负压驱动电路的结构示意图；
图4(a)、图4(b)分别为根据本发明实施例的实现三电平有源驱动电路硬件电路结构图以及对应的实验波形；
图5为根据本发明实施例的三电平有源驱动电路应用的同步Buck变换器模型；
图6为传统负压驱动电路应用在同步Buck变换器中时，上、下桥臂SiC MOSFET的栅源极电压vgs波形，此时上、下桥臂均为传统负压驱动电路；
图7为根据本发明实施例的三电平有源驱动电路应用在同步Buck变换器下桥臂中时，上、下桥臂SiC MOSFET的栅源极电压vgs波形，此时上桥臂为传统负压驱动电路，下桥臂为三电平有源驱动电路；
图8为传统负压驱动电路应用在同步Buck变换器中，下桥臂SiC MOSFET的漏源极电压vds和栅源极电压vgs实验波形；
图9为根据本发明实施例的将三电平有源驱动电路应用在同步Buck变换器中，下桥臂SiC MOSFET的漏源极电压vds和栅源极电压vgs实验波形；
图10(a)、图10(b)分别为根据本发明实施例的三电平有源驱动电路与传统驱动电路下桥臂SiC MOSFET正向和负向栅源电压尖峰对比图，左图为当下桥臂为传统驱动电路时对应的实验波形，右图为当下桥臂为三电平有源驱动电路对应的实验波形，通过实验波形可以看出，正向串扰尖峰幅值降低了1.5V，减小了19.48％，负向串扰尖峰幅值从12.2V下降到6.7V，减小了45.08％,从波形中漏源极电压变化率可以看出，该三电平有源驱动电路对SiC MOSFET的开关速度没有影响。
根据本发明实施例提出的抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路，一方面，通过在正向串扰发生时，使得SiC MOSFET的栅源电压为负压来抑制正向栅源电压尖峰；另一方面，在负向尖峰发生时，通过零压钳位电路使得SiC MOSFET的栅源电压钳位到0V来抑制负向栅源电压尖峰；从而将串扰的正负向尖峰限制在安全的电压之内。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种抑制SiC MOSFET串扰的三电平有源驱动电路，其特征在于，包括：
驱动推挽电路，用于产生控制SiC MOSFET的栅源极电压vgs；
驱动电阻Rg，所述驱动电阻Rg的一端经过第一节点与所述驱动推挽电路串联，所述驱动电阻Rg的另一端与所述SiC MOSFET的栅极相连；
脉冲产生电路，所述脉冲产生电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和第一电压比较器U1，其中，所述第一电阻R1的一端与-5V相连，所述第一电阻R1的另一端经过第二节点与所述第二电阻R2的一端串联，所述第二电阻R2的另一端与所述第一节点相连，所述第三电阻R3的一端与-5V相连，所述第三电阻R3的另一端经过第三节点与所述第四电阻R4的一端串联，所述第四电阻R4的另一端接地，所述第一电容C1的一端与所述第二节点相连，所述第一电容C1的一端与-5V相连，所述第一电压比较器U1的正输入端Vin+与所述第二节点相连，所述第一电压比较器U1的负输入端Vin-与所述第三节点相连；
零压钳位电路，所述零压钳位电路包括第一P沟道MOSFET Qp和第一二极管D1，其中，所述第一P沟道MOSFET Qp的一端接地，所述第一P沟道MOSFET Qp的另一端与所述第一二极管D1串联，所述第一二极管D1的另一端与第四节点相连。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一P沟道MOSFET Qp漏源极的耐压值大于所述栅源极电压vgs。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一电压比较器的输出作为所述零压钳位电路的输入。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述第一电压比较器U1输出电压小于所述第一P沟道MOSFET Qp的栅源极电压vgs。
5.根据权利要求1或4所述的电路，其特征在于，所述第一电压比较器U1输出电压高于所述第一P沟道MOSFET Qp开通的阈值电压Vth。
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