CN111614236A - 一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路 - Google Patents

一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路，包括驱动回路、负压产生模块和串扰抑制模块；其中，驱动回路包括驱动电阻，负压产生模块由电容与齐纳二极管并联后再与电源模块串联构成，串扰抑制模块包括反并联的三极管和二极管，后与抑制电容相连，三极管基极与发射极和驱动电阻并联；各SiC MOSFET的栅极与源极之间设有驱动回路，负压产生模块与驱动回路串联，串扰抑制模块与驱动回路并联。本发明电路均由无源器件构成，结构简单；无需额外增加驱动负压电源，且驱动负压可由齐纳二极管调节，可满足各种驱动需求；有效解决串联扰动发生时的电压尖峰问题，保证器件安全。

Description

一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路
技术领域
本发明属于电力电子领域，具体涉及一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路。
背景技术
SiC MOSFET作为新型电力电子器件拥有SiC材料的众多优点，成为应用于高频、高压电路中的理想选择。但是，随着器件开关速度的不断加快，以往在桥式电路中不被重视的寄生参数成为威胁应用SiC MOSFET电路的首要因素。寄生电容在桥臂拓扑高频应用下容易产生串联扰动现象，串联扰动正压尖峰会造成器件误导通，负压尖峰会导致器件损坏，因此传统门极驱动电路已不能满足SiC MOSFET在高频下的可靠性，需要进行改进。
目前，在抑制串联扰动方面，根据原理的不同可大致分为门极阻抗控制和门极电压控制两类方法，门极阻抗控制中最典型的方法是并联一个辅助电容，但是辅助电容的接入会减低器件开断速度，增大开断损耗，门极电压控制中最简单的方法是增加一个负向电压源，这利用了SiC MOSFET器件耐负压的特点。许多方案都能实现对串扰的抑制，但都有降低开断速度、控制复杂等缺点。基于此，本文提出一套基于栅源电压比较控制的门极辅助电路。该方法抑制了串联扰动现象，提高了关断速度且降低了控制复杂程度。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于桥式电路的SiCMOSFET门极辅助电路，能够抑制桥臂结构串联扰动，提高器件关断速度。
技术方案：本发明采用如下技术方案：一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征在于，包括驱动回路、负压产生模块和串扰抑制模块；其中，桥式电路包括多个SiC MOSFET，各SiC MOSFET分别串接于桥式电路中各依次相邻接的桥臂中，各SiC MOSFET的栅极与源极之间设有驱动回路，驱动回路与负压产生模块串联，驱动回路与串扰抑制模块并联。
优选的，驱动回路包括电源模块、脉冲模块、第一开关管、第二开关管、驱动电阻和驱动内阻；其中，电源模块通过串联的第一开关管、第二开关管和驱动电阻连接到SiCMOSFET的源极，驱动内阻的一端连接到第一开关管和第二开关管的公共端，驱动内阻的另一端连接到SiC MOSFET的栅极，脉冲模块分别连接到第一开关管和第二开关管。
优选的，负压产生模块包括负压电阻、负压电容和齐纳二极管；其中，负压电容和齐纳二极管并联后再串联到第二开关管和驱动电阻之间，齐纳二极管正极连接第二开关管，齐纳二极管负极连接驱动电阻，齐纳二极管负极通过负压电阻连接到电源模块。
优选的，负压电阻的值为10kΩ，负压电容的值为10uF，齐纳二极管的耐压为5.1V。
优选的，串扰抑制模块包括抑制电容、三极管和二极管；其中，三极管为NPN型三极管，抑制电容的一端连接SiC MOSFET的栅极，抑制电容的另一端连接三极管的集电极和二极管的负极，三极管的基极、发射极与驱动电阻并联，三极管的发射极和二极管的正极连接SiC MOSFET的源极。
优选的，抑制电容的值为100nF。
优选的，第一开关管和第二开关管采用推挽方式接入。
有益效果：本发明具有如下有益效果：
（1）、本发明中的门极辅助电路中串扰抑制模块在SiC MOSFET开通阶段与驱动回路断开，不会影响SiC MOSFET的正常开通速度；
（2）、本发明中的抑制电容在SiC MOSFET关断时放电，加速SiC MOSFET的关断；
（3）、本发明中的门极辅助电路有效抑制串联扰动正、负压尖峰，保证SiC MOSFET的安全；
（4）、本发明无需额外增加驱动负压电源，且驱动负压有负压产生模块调节，原理简单，负压大小方便调控，可直接应用于各类驱动回路；
（5）、本发明中的门极辅助电路均使用无源元件，无需提供额外驱动负压电源，控制简单，成本较低。
附图说明
图1为本发明中门极辅助电路的电路示意图；
图2为本发明具体实施方式中的电路示意图；
图3为本发明中辅助电路预充电状态的电路示意图；
图4为本发明中器件开通过程的电路示意图；
图5为本发明中器件关断过程的电路示意图；
图6为本发明中正压尖峰过程的电路示意图；
图7为本发明中负压尖峰过程的电路示意图；
图8为传统驱动电路与本发明中新型驱动电路的串联扰动抑制实验的对比结果，其中，图8（a）为传统驱动电路的串联扰动抑制实验的电压波形，图8（b）为本发明中新型驱动电路的串联扰动抑制实验的电压波形；
图9为传统驱动电路与本发明中新型驱动电路的电压尖峰对比图；
图10为传统驱动电路与本发明中新型驱动电路的双脉冲测试电路实验的对比结果，其中，图10（a）为传统驱动电路的双脉冲测试电路实验的器件开关瞬态，图10（b）为本发明中新型驱动电路的双脉冲测试电路实验的器件开关瞬态。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明公开了一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路，包括驱动回路、负压产生模块和串扰抑制模块；其中，SiC MOSFET的栅极与源极之间设有驱动回路，负压产生模块与驱动回路串联，所述的串扰抑制模块与驱动回路并联。
驱动回路包括电源模块Vq、脉冲模块PWM、第一开关管S1、第二开关管S2、驱动电阻Rg和驱动内阻Rg(in)，其中，第一开关管S1和第二开关管S2为推挽式开关管，受脉冲模块PWM控制并与电源模块Vq串联，用于控制电源模块Vq的接入和SiC MOSFET器件的开通与关断，驱动电阻Rg和驱动内阻Rg(in)串联于第一开关管S1和第二开关管S2之间。具体的，电源模块Vq通过串联的第一开关管S1、第二开关管S2和驱动电阻Rg连接到SiC MOSFET的源极，驱动内阻Rg(in)的一端连接到第一开关管S1和第二开关管S2的公共端，另一端连接到SiC MOSFET的栅极，脉冲模块PWM分别连接到第一开关管S1和第二开关管S2。
负压产生模块包括负压电阻Rk、负压电容CZD和齐纳二极管ZD；其中，负压产生模块串联在SiC MOSFET的栅源回路中驱动电源的负极。具体的，负压电容CZD与齐纳二极管ZD并联后再串联到第二开关管S2和驱动电阻Rg之间，齐纳二极管ZD正极连接第二开关管S2，负极连接驱动电阻Rg，同时齐纳二极管ZD负极通过负压电阻Rk连接到电源模块Vq。优选负压电阻Rk的值为10kΩ，负压电容CZD的值为10uF，齐纳二极管ZD的耐压为5.1V。
串扰抑制模块包括反并联的NPN型三极管K1和二极管D，后与抑制电容Ck相连，三极管K1的基极与发射极和驱动电阻Rg并联。具体的，抑制电容Ck的一端连接SiC MOSFET的栅极，另一端连接三极管K1的集电极和二极管D的负极，三极管K1的基极连接驱动电阻Rg和齐纳二极管ZD的公共端，三极管K1的发射极和二极管D的正极连接SiC MOSFET的源极。
抑制电容Ck的接入控制由驱动电阻Rg上的压降决定。当尖峰电压发生时，驱动电阻Rg上的压降在左负右正与左正右负之间变化，则二极管D导通或者三极管K1发生正偏导通，为电压尖峰提供一个旁路通道，从而抑制电压尖峰。如当电流通过驱动电阻Rg形成压降为左正右负时，三极管K1导通，当形成压降为左负右正时，二极管D导通。驱动电阻Rg的值满足三极管K1的导通要求即可。
抑制电容Ck在串扰发生以及SiC MOSFET开通与关断时，吸收并储存能量，自身带有一定电压，在开通或关断时将加速SiC MOSFET的开通或关断，为了保证抑制电容Ck上的电压稳定，优选抑制电容Ck的值为100nF。
本发明在应用时，驱动回路结合负压产生模块可为SiC MOSFET提供开通及关断所需的驱动电压，串扰抑制模块可实现SiC MOSFET应用在桥式电路时的串联扰动抑制。驱动回路中，脉冲模块PWM控制不同的开关管接入电路，使得电源模块Vq接入或不接入电路，导致驱动电压不同，控制SiC MOSFET导通或关断，同时还可实现尖峰电压发生时串扰抑制模块中三极管K1或二极管D的导通，从而改变抑制电容Ck的接入状态，实现对正、负压尖峰的抑制，以及通过抑制电容Ck的储能或放电加速SiC MOSFET的开断。
如图2所示的实施例，为本发明的SiC MOSFET门极辅助电路应用于桥式电路中，桥式电路包括多个SiC MOSFET，各SiC MOSFET分别串接于桥式电路中各依次相邻接的桥臂中；各SiC MOSFET的栅极与源极之间设有所述门极辅助电路。如图3至图7所示，根据门极辅助电路工作的五个阶段阐述本实施例的工作原理如下：
（1）预充电状态：如图3所示，当驱动回路运行之前，为了使门极辅助电路正常运行需进行对抑制电容Ck进行预充电。接通所有SiC MOSFET的电源并使所有触发脉冲调至低电平，此时所有SiC MOSFET处于关断状态。脉冲模块PWM控制第一开关管S1关断和第二开关管S2导通，电源模块Vq未接入电路，此时负压电容CZD输出-5V电压并为抑制电容Ck充电，当抑制电容Ck上的电压稳定为-5V时预充电过程结束。
（2）开通过程：如图4所示，当SiC MOSFET开通时，触发脉冲变为高电平。脉冲模块PWM控制第一开关管S1导通和第二开关管S2关断，电源模块Vq接入电路，将电源模块Vq输出电压设为25V，此时驱动回路的驱动电压Vg=25-5V=20V，驱动电压Vg为齐纳二极管ZD负极与第一开关管S1、第二开关管S2的公共端之间的电压，驱动电阻Rg上自右向左流过的驱动电流在三极管K1基极与发射极之间形成负的压降，使得三极管K1关断。
（3）关断过程：如图5所示，当SiC MOSFET关断时，当触发脉冲为低电平。脉冲模块PWM控制第一开关管S1关断和第二开关管S2导通，电源模块Vq未接入电路，驱动电压Vg=0-5V=-5V。驱动电流自左向右流经驱动电阻Rg并在三极管K1基极与发射极之间形成正的压降，当驱动电阻Rg的电压VRg达到三极管K1的开通电压时，三极管K1开始导通。由于抑制电容Ck在预充电时期进行充电并带有-5V的电压，当三极管K1导通时，驱动电压Vg并不会对抑制电容Ck进行充电，相对的，抑制电容Ck开始放电使栅源电容Cgs上的电压迅速下降，加速SiC MOSFET关断。因抑制电容Ck取值为100nF，故在放电过程中电压保持稳定，不会出现明显波动。当SiC MOSFET完全关断时，驱动电流逐渐降低，电压VRg也降至三极管K1导通电压之下，抑制电容Ck停止放电，负压电容CZD将对抑制电容Ck进行充电，使其在接下来的运行过程中始终保持-5V电压。
（4）正压尖峰过程：如图6所示，当下桥臂SiC MOSFET关断，上桥臂SiC MOSFET快速导通时，下桥臂SiC MOSFET漏源电压迅速从0上升至母线电压，过高的du/dt作用在栅漏电容Cgd上将会产生漏电流，从而产生正压尖峰。此时漏电流的流向如图6所示，驱动电阻Rg上自左向右流过漏电流并在三极管K1基极与发射极之间形成正的电压VRg，当VRg大于三极管K1导通电压时将会使抑制电容Ck自上而下导通，为栅源电容Cgs上流过的漏电流提供一个旁路通道，由于三极管K1的放大作用，大部分电流将流过抑制电容Ck，从而抑制栅源电容Cgs的正压尖峰，从而抑制正压尖峰的大小，降低误导通的风险。
（5）负压尖峰过程：如图7所示，当下桥臂SiC MOSFET栅漏电压Vgd保持母线电压不变，上桥臂瞬间关断时，下桥臂栅漏电容Cgd开始放电，漏电流通过二极管D自下而上流过抑制电容Ck，分担了栅源电容Cgs上流过的漏电流，从而抑制负压尖峰，降低SiC MOSFET反向击穿的风险。
搭建同步BUCK电路验证与传统驱动电路相比，带有本发明中门极辅助电路的新型驱动电路的串联扰动抑制的有效性，实验结果如图8所示。利用实验数据绘制串扰电压尖峰比较图，如图9所示，为驱动电路带有门极辅助电路与不带辅助门极电路时的串联扰动电压尖峰的波形图。由图8可得，新型驱动电路可以有效地抑制串联扰动正、负压尖峰。其中在图9中左图所示的正压尖峰波形比较图中，新型驱动电路中三极管在图中所示阶段导通，从而降低正压尖峰的大小。在图9中右图所示的负压尖峰波形比较图中，由于二极管无需触发即可导通，使得负压尖峰大小整体得到抑制，但由于在负压尖峰阶段抑制电容仅自下而上导通，使得负压尖峰的尖峰震荡时期，抑制电容处于断开阶段，无法抑制负压尖峰震荡的大小。
利用下桥臂SiC MOSFET以及驱动电路搭建双脉冲测试电路，进行新型驱动电路驱动能力的验证，双脉冲波形如图10所示。由图10可得，新型驱动电路可以正常运行，SiCMOSFET导通延时t d(on)为31ns，漏源电压下降时间t on为70ns，与传统驱动电路数据相近，SiCMOSFET关断延时t d(off)为36ns，漏源电压上升时间t off为52ns，与传统驱动电路相比有所降低，即本发明中的门极辅助电路可以加快SiC MOSFET关断速度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征在于，包括驱动回路、负压产生模块和串扰抑制模块；其中，桥式电路包括多个SiC MOSFET，各SiC MOSFET分别串接于桥式电路中各依次相邻接的桥臂中，各SiC MOSFET的栅极与源极之间设有驱动回路，驱动回路与负压产生模块串联，驱动回路与串扰抑制模块并联。
2.根据权利要求1所述的一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征在于，驱动回路包括电源模块（Vq）、脉冲模块（PWM）、第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、驱动电阻（Rg）和驱动内阻（Rg(in)）；其中，电源模块（Vq）通过串联的第一开关管（S1）、第二开关管（S2）和驱动电阻（Rg）连接到SiC MOSFET的源极，驱动内阻（Rg(in)）的一端连接到第一开关管（S1）和第二开关管（S2）的公共端，驱动内阻（Rg(in)）的另一端连接到SiC MOSFET的栅极，脉冲模块（PWM）分别连接到第一开关管（S1）和第二开关管（S2）。
3.根据权利要求2所述的一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征在于，负压产生模块包括负压电阻（Rk）、负压电容（CZD）和齐纳二极管（ZD）；其中，负压电容（CZD）和齐纳二极管（ZD）并联后再串联到第二开关管（S2）和驱动电阻（Rg）之间，齐纳二极管（ZD）正极连接第二开关管（S2），齐纳二极管（ZD）负极连接驱动电阻（Rg），齐纳二极管（ZD）负极通过负压电阻（Rk）连接到电源模块（Vq）。
4.根据权利要求3所述的一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征在于，负压电阻（Rk）的值为10kΩ，负压电容（CZD）的值为10uF，齐纳二极管（ZD）的耐压为5.1V。
5.根据权利要求2所述的一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征在于，串扰抑制模块包括抑制电容（Ck）、三极管（K1）和二极管（D）；其中，三极管（K1）为NPN型三极管，抑制电容（Ck）的一端连接SiC MOSFET的栅极，抑制电容（Ck）的另一端连接三极管（K1）的集电极和二极管（D）的负极，三极管（K1）的基极、发射极与驱动电阻（Rg）并联，三极管（K1）的发射极和二极管（D）的正极连接SiC MOSFET的源极。
6.根据权利要求5所述的一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征在于，抑制电容（Ck）的值为100nF。
7.根据权利要求2所述的一种基于桥式电路的SiC MOSFET门极辅助电路，其特征在于，第一开关管（S1）和第二开关管（S2）采用推挽方式接入。
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