CN111614234B - 一种碳化硅mosfet桥臂串扰抑制电路 - Google Patents

一种碳化硅mosfet桥臂串扰抑制电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子器件的驱动技术领域，具体提供一种碳化硅MOSFET桥臂串扰抑制电路，所述桥臂串扰抑制电路连接于主电路中碳化硅MOSFET的栅极、源极之间，包括：驱动信号放大电路、负压产生电路和RC电位延迟电路其中，所述负压产生电路用于产生负电压、以防止主电路中碳化硅MOSFET误导通，所述RC电位延迟电路用于抬升主电路中碳化硅MOSFET的栅极与源极之间的负向关断电压，以防止主电路中碳化硅MOSFET反向击穿。本发明利用无源器件实现负压关断，并防止因桥臂正向串扰导致开关管的误导通；同时利用RC电位延迟电路实现多电平驱动控制信号的功能，防止因桥臂负向串扰导致开关管的栅源极击穿。

Description

一种碳化硅MOSFET桥臂串扰抑制电路
技术领域
本发明属于电力电子器件的驱动技术领域，具体涉及一种碳化硅(SiC)MOSFET桥臂串扰抑制电路。
背景技术
宽禁带半导体器件SiC MOSFET因其具有开关速度快、开关损耗小、耐高压等优点，现已广泛应用于大功率电力电子变换器中，例如机车牵引、高压直流输电等领域，进而提高整个系统的功率密度。
在常见的SiC MOSFET桥式电路中，由于电路中存在各种寄生参数，随着开关速度的提高，开关管的开关过程会使桥臂中另一只开关管的栅源电压出现振荡，被称为串扰现象；SiC MOSFET的阈值电压只有1.7V左右、栅极负压一般限制在-10V以内；随着串扰现象的加剧，很容易导致开关管的误导通或栅源极击穿，影响系统的稳定性。
目前，大部分SiC MOSFET串扰抑制电路的设计都加入了负压电源，其虽然可以加速开关管的关断，有效地防止因桥臂正向串扰导致开关管的误导通；但增大了设计成本，同时加剧了桥臂负向串扰对开关管的影响。
为同时解决SiC MOSFET桥臂正负向的串扰，部分串扰抑制电路采用多电平驱动控制信号，在正向串扰到来时刻拉低开关管驱动信号电平，在负向串扰到来时刻抬高开关管驱动信号电平；其有效地解决SiC MOSFET因串扰导致的误导通或栅源极击穿问题，但由于电路加入了复杂的控制信号，增加了设计难度与成本。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，对已有的SiC MOSFET桥臂串扰抑制电路进行改进，提出一种SiC MOSFET桥臂串扰抑制电路，利用无源器件实现负压关断，并防止因桥臂正向串扰导致开关管的误导通；同时利用RC电位延迟电路实现多电平驱动控制信号的功能，防止因桥臂负向串扰导致开关管的栅源极击穿。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种碳化硅MOSFET桥臂串扰抑制电路，所述桥臂串扰抑制电路连接于主电路中碳化硅MOSFET的栅极、源极之间，包括：驱动信号放大电路、负压产生电路和RC电位延迟电路；其中，所述负压产生电路用于产生负电压、以防止主电路中碳化硅MOSFET误导通，所述RC电位延迟电路用于抬升主电路中碳化硅MOSFET的栅极与源极之间的负向关断电压，以防止主电路中碳化硅MOSFET反向击穿。
进一步地，所述驱动信号放大电路包括：驱动电源V1H、MOS管S1H、MOS管S2H，其中，所述MOS管S1H的漏极与驱动电源V1H的正极连接，所述MOS管S1H的源极与所述MOS管S2H的漏极连接、并作为驱动信号放大电路的输出端，所述MOS管S2H的源极与驱动电源V1H的负极连接、并作为驱动信号放大电路的接地端连接至主电路碳化硅MOSFET的源极，所述MOS管S1H和所述MOS管S2H的栅极为驱动信号输入端，以推挽方式接入；
所述负压产生电路包括：二极管D1H、连接于所述二极管D1H正极的RC并联电路一、以及连接于所述二极管D1H负极的RC并联电路二，其中，所述RC并联电路一的另一端与驱动信号放大电路的输出端连接，所述RC并联电路二的另一端连接至驱动信号放大电路的接地端；
所述RC电位延迟电路包括：RC串联电路一、MOS管S3H、二极管D2H以及电阻R4H；其中，所述RC串联电路一的电阻侧与MOS管S2H的栅极连接、电阻和电容的中点侧与所述MOS管S3H的栅极连接、电容侧与MOS管S3H的源极连接，所述MOS管S3H的源极与二极管D2H的正极连接、漏极连接至驱动信号放大电路的接地端，所述二极管D2H的负极与二极管D1H的正极连接、并连接至主电路碳化硅MOSFET的栅极，所述电阻R4H连接于MOS管S3H的栅极与源极之间。
更进一步地，所述RC串联电路一中电容C3H的电压值随时间变化的计算公式：
其中，VC3H(t)为任意时刻t时电容C3H上的电压值，V0为电容C3H上的初始电压值，Vu为电容C3H充满电后的电压值；R为电阻R3H的电阻值，C为电容C3H的电容值。
需要说明的是，本发明中，所述MOS管S1H和MOS管S2H驱动信号控制开关以推挽方式接入；所述电阻R4H用于释放所述电容C3H的能量；所述MOS管S1H、MOS管S2H、MOS管S3H为N沟道增强型MOSFET；所述串联连接的电阻R3H和电容C3H用于实现两电平关断驱动电压。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种碳化硅MOSFET桥臂串扰抑制电路，利用无源器件实现负压关断，并防止因桥臂正向串扰导致开关管的误导通，由于无需添加额外的负电源，节约了设计成本；利用RC电位延迟电路实现多电平驱动控制信号的功能，防止因桥臂负向串扰导致开关管的栅源极击穿，由于无需额外的控制信号，电路拓扑结构简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例中SiC MOSFET桥臂串扰抑制电路的结构示意图；
图2为图1中SiC MOSFET半桥电路的开关波形(“栅极电压Vg-时间t”特性曲线)；
图3(a)-(d)为图1中SiC MOSFET半桥电路在各时段内电路工作等效图；
图4为未加串扰抑制电路的串扰电压波形；
图5为引入本发明之后的串扰电压波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明。
本实施例提供一种SiC MOSFET桥臂串扰抑制电路，其在半桥电路中的应用例如图1所示，包括：负压产生电路和RC电位延迟电路；所述负压产生电路和RC电位延迟电路连接在主电路SiC MOSFET的栅极、源极之间，所述主电路为连接在同一桥臂上的两个SiCMOSFET开关管组成，所述负压产生电路用于产生负电压来防止所述主电路中SiC MOSFET误导通；所述RC电位延迟电路用于抬升所述SiC MOSFET的栅极和源极之间的负向关断电压，防止所述主电路中SiC MOSFET反向击穿。
更为具体的讲，如图1所示，以上桥臂为例来进行说明：
所述驱动信号放大电路包括：驱动电源V1H、MOS管S1H、MOS管S2H，其中，所述MOS管S1H的漏极与驱动电源V1H的正极连接，所述MOS管S1H的源极与所述MOS管S2H的漏极连接、并作为驱动信号放大电路的输出端，所述MOS管S2H的源极与驱动电源V1H的负极连接、并作为驱动信号放大电路的接地端连接至主电路碳化硅MOSFET的源极，所述MOS管S1H和所述MOS管S2H的栅极为驱动信号输入端，以推挽方式接入；
所述负压产生电路包括：二极管D1H、连接于所述二极管D1H正极的RC并联电路一、以及连接于所述二极管D1H负极的RC并联电路二，其中，所述RC并联电路一的另一端与驱动信号放大电路的输出端连接，所述RC并联电路二的另一端连接至驱动信号放大电路的接地端；所述RC并联电路一包括并联连接的电阻R1H和电容C1H，所述RC并联电路二包括并联连接的电阻R2H和电容C2H；
所述RC电位延迟电路包括：RC串联电路一、MOS管S3H、二极管D2H以及电阻R4H；其中，所述RC串联电路一的电阻侧与MOS管S2H的栅极连接、电阻和电容的中点侧与所述MOS管S3H的栅极连接、电容侧与MOS管S3H的源极连接，所述MOS管S3H的源极与二极管D2H的正极连接、漏极连接至驱动信号放大电路的接地端，所述二极管D2H的负极与二极管D1H的正极连接、并连接至主电路碳化硅MOSFET的栅极，所述电阻R4H连接于MOS管S3H的栅极与源极之间；所述RC串联电路一包括串联连接的电阻R3H和电容C3H。
下面结合如图2所示的SiC MOSFET半桥电路的开关波形来说明本发明SiC MOSFET桥臂串扰抑制电路的工作原理，具体如下：
t0～t1时段内，如图3(a)所示，MOS管S1H和MOS管S2L导通，MOS管S2H和MOS管S1L关断，此时下桥臂SiC MOSFET受到正向串扰，会在CgsL上产生正向电压尖峰；上桥臂SiC MOSFET栅源极导通驱动电压为电容C2H两端的电压，下桥臂由于RC(电阻R3L和电容C3L)电路电位的延迟作用，电容C3L的电压较小，MOS管S3L未导通，流过电容C3L的电流通过MOS管S3L的体二极管Dbody_L路径释放，下桥臂SiC MOSFET栅源极关断驱动电压为电容C1L两端的电压，调节合适的关断负压可以有效地防止下桥臂SiC MOSFET误导通，同时部分串扰电流通过二极管D1L低阻抗支路释放；电容C1L的电压由t0时刻之前下桥臂SiC MOSFET开通时储能所得，驱动电压均可通过对电阻R1H、R2H、R1L、R2L值的设定进行调节。
t1～t2时段内，如图3(b)所示，MOS管S1H和MOS管S2L导通，MOS管S2H和MOS管S1L关断，上桥臂SiC MOSFET栅源极导通驱动电压为电容C2H两端的电压，下桥臂RC(电阻R3L和电容C3L)电路电位延迟结束，电容C3L的电压达到MOS管S3L的阈值电压，MOS管S3L开始导通，下桥臂SiC MOSFET栅源极关断驱动电压逐渐上升。
t2～t3时段内，如图3(c)所示，MOS管S2H和MOS管S2L导通，MOS管S1H和MOS管S1L关断，此时下桥臂SiC MOSFET受到负向串扰，会在CgsL上产生负向电压尖峰；上桥臂SiC MOSFET栅源极关断驱动电压为电容C1H两端的电压，下桥臂RC(电阻R3L和电容C3L)电路电位延迟完全结束，MOS管S3L完全导通，下桥臂SiC MOSFET栅源极短路，关断驱动电压为0，调节合适的RC时间常数可以有效地防止下桥臂SiC MOSFET栅源极反向击穿，同时部分串扰电流通过二极管D2L和MOS管S3L低阻抗支路释放。
t3～t4时段内，如图3(d)所示，MOS管S2H和MOS管S1L导通，MOS管S1H和MOS管S2L关断，上桥臂由于RC(电阻R3H和电容C3H)电路电位的延迟作用，电容C3H的电压较小，MOS管S3H未导通，上桥臂SiC MOSFET栅源极关断驱动电压为电容C1H两端的电压，下桥臂SiC MOSFET栅源极导通驱动电压为电容C2L两端的电压；此时电容C3L存储的能量通过电阻R4L消耗，不会对下一个周期RC电位延迟的作用产生影响。
为了对比本发明在半桥电路中的串扰抑制效果，本实施例基于Pspice仿真软件，SiC MOSFET采用器件模型为ROHM公司提供的SCT3080KL模型，并与传统无串扰抑制电路进行对比分析，本实施例仿真模型的负载电感L0为560uH、负载电阻R0为20Ω、滤波电容C0为330uF、直流输入电压为500V。以下桥臂为例：驱动电源V1L电压为22V，MOS管S3L为ROHM公司提供的高功率密度、低导通电阻的中等功率MOS管RD3P08BBD，电阻R1L为20Ω、电阻R2L为100Ω、电阻R3L为120Ω、电阻R4L为10Ω，电容C1L为0.43uF、电容C2L为0.1uF、电容C3L为5uF。对比结果如图4、图5所示，根据波形可知：无串扰抑制电路时，受串扰影响，下桥臂SiC MOSFET栅源极正向串扰电压尖峰值为5V，负向串扰电压尖峰值为-5V，且伴随较大的振荡；当施加本发明桥臂串扰抑制电路后，SiC MOSFET栅源极正负向串扰电压尖峰值显著降低，且振荡减小，电磁干扰现象得到缓解。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种碳化硅MOSFET桥臂串扰抑制电路，所述桥臂串扰抑制电路连接于主电路中碳化硅MOSFET的栅极、源极之间，包括：驱动信号放大电路、负压产生电路和RC电位延迟电路；其中，所述负压产生电路用于产生负电压、以防止主电路中碳化硅MOSFET误导通，所述RC电位延迟电路用于抬升主电路中碳化硅MOSFET的栅极与源极之间的负向关断电压，以防止主电路中碳化硅MOSFET反向击穿；
所述驱动信号放大电路包括：驱动电源V1H、MOS管S1H、MOS管S2H，其中，所述MOS管S1H的漏极与驱动电源V1H的正极连接，所述MOS管S1H的源极与所述MOS管S2H的漏极连接、并作为驱动信号放大电路的输出端，所述MOS管S2H的源极与驱动电源V1H的负极连接、并作为驱动信号放大电路的接地端连接至主电路碳化硅MOSFET的源极，所述MO S管S1H和所述MOS管S2H的栅极为驱动信号输入端，以推挽方式接入；
所述负压产生电路包括：二极管D1H、连接于所述二极管D1H正极的RC并联电路一、以及连接于所述二极管D1H负极的RC并联电路二，其中，所述RC并联电路一的另一端与驱动信号放大电路的输出端连接，所述RC并联电路二的另一端连接至驱动信号放大电路的接地端；
所述RC电位延迟电路包括：RC串联电路一、MOS管S3H、二极管D2H以及电阻R4H；其中，所述RC串联电路一的电阻侧与MOS管S2H的栅极连接、电阻和电容的中点侧与所述MOS管S3H的栅极连接、电容侧与MOS管S3H的源极连接，所述MOS管S3H的源极与二极管D2H的正极连接、漏极连接至驱动信号放大电路的接地端，所述二极管D2H的负极与二极管D1H的正极连接、并连接至主电路碳化硅MOSFET的栅极，所述电阻R4H连接于MOS管S3H的栅极与源极之间。
2.按权利要求1所述碳化硅MOSFET桥臂串扰抑制电路，其特征在于，所述RC串联电路一中电容C3H的电压值随时间变化的计算公式：
其中，为任意时刻t时电容C3H上的电压值，V0为电容C3H上的初始电压值，Vu为电容C3H充满电后的电压值；R为电阻R3H的电阻值，C为电容C3H的电容值。
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