CN111541360B - 一种工作模式可变的混合并联开关管驱动电路 - Google Patents

一种工作模式可变的混合并联开关管驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种工作模式可变的混合并联开关管驱动电路。本发明提供的技术方案包括一个驱动芯片，用来接收处理器发出来的PWM信号，在SiC‑MOSFET栅极与驱动芯片之间添加了一个低压的N沟道MOSFET(Sd1)、用于产生信号延迟的电阻Rd1和电容Cd1；在Si‑IGBT基极与驱动芯片之间添加了一个低压的P沟道MOSFET(Sd2)、用于产生信号延迟的电阻Rd2和电容Cd2。本发明设备成本低，并可以根据不同的拓扑结构可通过调节驱动电路的参数达到相对应的工作模式需求。

Description

一种工作模式可变的混合并联开关管驱动电路
技术领域：
本发明涉及半导体器件驱动系统技术领域，进一步涉及一种混合半导体器件并联使用时门级的驱动电路技术，具体涉及一种工作模式可变的混合并联开关管驱动电路。
技术背景：
宽禁带半导体器件(如：碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管，SiliconCarbide-Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor-SiC-MOSFET；氮化镓，Gallium Nitride-GaN)具有耐高温、高开关频率、低开关损耗的特性，为实现高功率密度、高效率的电力电子设备提供了更多的可能性，但昂贵的价格对其广泛应用造成了困难。而传统的硅基开关管(硅绝缘栅双极型晶体管，Silicon-Insulated Gate BipolarTransistor；硅金属-氧化物半导体场效应晶体管，Silicon-Metal Oxide SemiconductorField-Effect Transistor))虽然开关损耗较大，但因价格低廉，目前工业界电能变换系统仍以其为核心器件。随着控制技术的迅速发展，将宽禁带半导体器件与传统的硅基器件并联混合使用受到了广泛关注。其相比于纯宽禁带半导体器件降低了系统成本，同时相比于纯硅基器件，不仅可以提升系统的功率密度，也可以降低系统的开关损耗。目前混合开关并联的工作模式有：
A.Si-IGBT或Si-MOSFET作为主开关管，由正常的PWM信号驱动工作。并分别在PWM信号的上升沿与下降沿生成较窄的脉冲信号完成对SiC-MOSFET或GaN的驱动，以降低抓开关管的开通与关断损耗。
B.Si-IGBT或Si-MOSFET作为主开关管，由正常的PWM信号驱动工作。在PWM信号的下降沿生成较窄的脉冲信号完成对SiC-MOSFET或GaN的驱动，以降低抓开关管的关断损耗。此模式适用于软开关工作状态。
C.Si-IGBT或Si-MOSFET与SiC-MOSFET或GaN均作为主开关管，Si-IGBT或Si-MOSFET由正常的PWM信号驱动工作，并将PWM信号做一定的延时用于驱动SiC-MOSFET或GaN，该模式适用于软开关的工作状态。
D.Si-IGBT或Si-MOSFET与SiC-MOSFET或GaN均作为主开关管，Si-IGBT或Si-MOSFET由正常的PWM信号驱动工作，同时采用占空比略大的另一路PWM信号完成对SiC-MOSFET或GaN的驱动，此工作模式适用于硬开关的工作状态。
E.Si-IGBT或Si-MOSFET与SiC-MOSFET或GaN均作为主开关管，Si-IGBT或Si-MOSFET由正常的PWM信号驱动工作，同时将此PWM的关断时间延迟一定时间完成对SiC-MOSFET或GaN的驱动，此工作模式适用于软开关的工作状态。
目前其驱动信号主要工作模式的研究热点为C、D、E三种。在软开关(零电压开通)情况下，主要采用工作模式C和E来控制开关管的开/关。在硬开关情况下主要采用工作模式D驱动开关管工作，其具有较低的开关损耗特性可有效降低系统的损耗。但不同的驱动模式需要的驱动电路也各有差异。工作模式C所需要的驱动电路相比于模式D和E较为简单，其通过1路PWM信号，并添加简单的延迟芯片即可完成开关管的驱动信号。对于模式D和E，完成并联开关的驱动时需要2路PWM信号，并需要2个驱动芯片才可完成开关管的驱动，不仅驱动成本较高，且PWM信号的控制复杂度高、系统可靠性低。
发明内容：
本发明提出了一种工作模式可变的混合并联开关管驱动电路，根据不同的拓扑结构可通过调节驱动电路的参数达到相对应的工作模式需求。
为了达到本发明的目的，本发明提供的一种工作模式可变的混合并联开关管驱动电路，其中包括一个用于驱动高压开关管的驱动芯片(Driver)，用来接收处理器发出来的PWM信号；
在驱动高压SiCmosfet的电路中，驱动芯片(Driver)与SiCmosfet之间添加了电容Cd1、电阻Rd1和一个低压的N沟道MOSFET(Sd1)，该电容Cd1一端与原有的驱动芯片(Driver)相连，同时与低压的N沟道MOSFET(Sd1)源极相连，另一端与电阻Rd1相连，同时与低压的N沟道MOSFET(Sd1)栅极相连，电阻的另一端与高压开关管的源极和驱动系统的参考地相连，低压的N沟道MOSFET(Sd1)漏极与主开关管的栅极相连；
在驱动高压SiIGBT的电路中，驱动芯片(Driver)与SiIGBT之间添加了电容Cd2、电阻Rd2、和一个低压的P沟道MOSFET(Sd2)，该电容Cd2一端与原有的驱动芯片(Driver)相连，同时与低压的P沟道MOSFET(Sd2)源极相连，另一端与电阻Rd2相连，同时与低压的P沟道MOSFET(Sd2)栅极相连，电阻的另一端与高压开关管的基极相连，低压的P沟道MOSFET(Sd2)漏极与主开关管的发射极和驱动系统的参考地相连。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明所提出的驱动电路可通过改变电阻和电容(Rd1、Cd1、Rd2、Cd2)的值来调节SiC-MOSFET的关断延迟时间和Si-IGBT的开通延迟时间；
2、本发明所设计的混合开关驱动电路系统成本更低；
3、本发明所设计的混合开关驱动电路可实现不同开关模式下的切换。
附图说明：
图1是现有的混合并联开关管驱动信号工作模式示意图；
图2是本发明提供的SiC-MOSFET与Si-IGBT混合开关驱动电路；
图3是本发明提供的具体开通于关断过程中电路状态示意图；
图4是本发明电路的仿真验证。
具体实施方式：
下面将通过实施例和附图对本发明进行详细地描述。
参见图1，首先对公知技术进行简单地说明：目前驱动信号主要工作模式的研究热点为C、D、E三种。在软开关(零电压开通)情况下，由于没有开通损耗，因此主要采用工作模式C和E来控制开关管的开/关。而在硬开关情况下主要采用工作模式D驱动开关管工作，此时开通损耗和关断损耗主要由SiC-MOSFET/GaN来承担，由于其较低的开关损耗特性可有效降低系统的损耗。但不同的驱动模式需要的驱动电路也各有差异。工作模式C所需要的驱动电路相比于模式D和E较为简单，其通过1路PWM信号，并添加简单的延迟芯片即可完成开关管的驱动信号。对于模式D和E，完成并联开关的驱动时需要2路PWM信号，并需要2个驱动芯片才可完成开关管的驱动。不仅驱动成本较高，且PWM信号的控制复杂度高、系统可靠性低。
参见图2，图中虚线框里中的电路，电容Cgs与Cbe分别为高压开关管SiCmosfet和SiIGB的寄生电容。
本发明提供的一种工作模式可变的混合并联开关管驱动电路，其中包括一个用于驱动高压开关管的驱动芯片(Driver)，用来接收处理器发出来的PWM信号；
在驱动高压SiCmosfet的电路中，驱动芯片(Driver)与SiCmosfet之间添加了电容Cd1、电阻Rd1和一个低压的N沟道MOSFET(Sd1)，该电容Cd1一端与原有的驱动芯片(Driver)相连，同时与低压的N沟道MOSFET(Sd1)源极相连，另一端与电阻Rd1相连，同时与低压的N沟道MOSFET(Sd1)栅极相连，电阻的另一端与高压开关管的源极和驱动系统的参考地相连，低压的N沟道MOSFET(Sd1)漏极与主开关管的栅极相连；
在驱动高压SiIGBT的电路中，驱动芯片(Driver)与SiIGBT之间添加了电容Cd2、电阻Rd2、和一个低压的P沟道MOSFET(Sd2)，该电容Cd2一端与原有的驱动芯片(Driver)相连，同时与低压的P沟道MOSFET(Sd2)源极相连，另一端与电阻Rd2相连，同时与低压的P沟道MOSFET(Sd2)栅极相连，电阻的另一端与高压开关管的基极相连，低压的P沟道MOSFET(Sd2)漏极与主开关管的发射极和驱动系统的参考地相连。
参见图3，本发明在一个开关周期内，电路的工作流程如下：
1、当PWM信号高电平到来时，由于N沟道的低压MOSFET(Sd1)处于导通状态，因此驱动芯片会直接给SiC-MOSFET寄生电容充电从而使其首先导通。随着时间的积累N沟道的低压MOSFET(Sd1)的门级电压Vgs1会低于其开启电压Vth1，此时Sd1关断，驱动电流通过体内二极管持续保证SiC-MOSFET处于导通状态。
2、同时由于P沟道低压MOSFET(Sd2)处于关断状态，驱动需要通过电阻Rd2给电容Cd2充电。当达到Sd2的开启电压Vth2时，Sd2导通，驱动会给Si-IGBT寄生电容充电，从而使IGBT导通。此过程实现了SiC-MOSFET先导通、Si-IGBT后导通的需求，降低了硬开通情况下的开通损耗。具体开通延迟时间计算式(1)所示：
Figure BDA0002508938520000041
3、当PWM信号低电平到来时，由于P沟道低压MOSFET(Sd2)处于导通状态，因此Si-IGBT寄生电容及外围电容会先经过Sd2释放电荷，Si-IGBT会首先关闭。Vgs2随着时间积累会升高。当Vgs2大于Sd2的开启电压Vth2时Sd2关断，Si-IGBT寄生电容及外围电路电流通过Sd2的体内二极管继续释放，保证Si-IGBT的处于关断状态；
4、同时N沟道的低压MOSFET(Sd1)处于关断状态，电容Cd1会通过电阻Rd1释放电荷，电容Cd1的电压逐渐升高，当达到Sd1的开启电压Vth1时，Sd1导通，SiC-MOSFET寄生电容及外围电容开始释放电荷，完成SiC-MOSFET的关断。此过程实现了Si-IGBT先关断、SiC-MOSFET后关断的需求，降低了硬关断情况下的关断损耗。具体关断延迟时间计算式(2)所示：
Figure BDA0002508938520000051
仿真验证：
如图4所示为该电路的仿真验证，该仿真设置中PWM驱动信号的输出幅值为24V，其中开通电压+19V，关断电压-5V。通多设置不同的电容，电阻值实现了SiC-MOSFET与Si-IGBT的关断和开通延时。当不需要延时时，可将相应的参数设置为0，完成不同驱动工作模式的切换。

Claims (1)

1.一种工作模式可变的混合并联开关管驱动电路，其特征在于：其中包括一个用于驱动高压开关管的驱动芯片(Driver)，用来接收处理器发出来的PWM信号；
在驱动高压SiCmosfet的电路中，驱动芯片(Driver)与SiCmosfet之间添加了电容Cd1、电阻Rd1和一个低压的N沟道MOSFET(Sd1)，该电容Cd1一端与原有的驱动芯片(Driver)相连，同时与低压的N沟道MOSFET(Sd1)源极相连，另一端与电阻Rd1相连，同时与低压的N沟道MOSFET(Sd1)栅极相连，电阻Rd1的另一端与SiCmosfet的源极和驱动系统的参考地相连，低压的N沟道MOSFET(Sd1)漏极与SiCmosfet的栅极相连；
在驱动高压SiIGBT的电路中，驱动芯片(Driver)与SiIGBT之间添加了电容Cd2、电阻Rd2、和一个低压的P沟道MOSFET(Sd2)，该电容Cd2一端与原有的驱动芯片(Driver)相连，同时与低压的P沟道MOSFET(Sd2)源极相连，另一端与电阻Rd2相连，同时与低压的P沟道MOSFET(Sd2)栅极相连，电阻Rd2的另一端与SiIGBT的发射极和驱动系统的参考地相连，低压的P沟道MOSFET(Sd2)漏极与SiIGBT的基极相连。
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