CN112234805B - 钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成电路技术领域，提供一种钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路，包括驱动芯片和碳化硅MOS管，所述驱动芯片内部集成驱动电路，所述驱动芯片还集成用于控制所述碳化硅MOS管的源极电压的硅MOS管；所述驱动芯片通过控制所述硅MOS管的导通和关断来实现所述碳化硅MOS管的导通和关断。本发明在SiC MOS的源极串联一个硅MOS管，通过控制硅MOS管的导通和关断即可控制SiC MOS的导通和关断，电路结构简单，避免复杂电路结构对其它器件的影响。通过在SiC MOS的栅极加一个固定的钳位电压，在硅MOS管关断时实现栅极与源极的负压差，采用钳位源级驱动结构实现稳定的负压输出，保证SiC MOS导通和关断的稳定性，提高了系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体地涉及一种钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路以及一种ACDC反激式转换器。
背景技术
SiC MOSFET(SiC Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管，以下简称碳化硅半导体场效应管、碳化硅MOS管或SiCMOS)，具有开关速度快，开关损耗小，温度性能好，耐压等级高，体积小等优点。为了能够适应更宽的输入电压范围，更可靠的高温稳定性，更高的工作频率从而达到更小的体积，SiCMOS功率器件成为ACDC(交流直流转换)领域的最优选择。但是，SiC MOS的关断驱动电压与传统的Si MOS(Si Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，硅金属-氧化物半导体场效应晶体管，以下简称硅半导体场效应管或硅MOS管)的驱动电压不同，关断时需要在栅源施加一个-5V左右的负压，而Si MOS的栅极只需要达到0V即可关断。目前主要采用电荷泵的方式，直接产生一个负压施加在SiC MOS的栅极上，SiC MOS的源极接零电位，来实现SiC MOS栅源负偏压。但是，电荷泵的电路复杂且产生的负压不稳定，SiC MOS无法获得一个稳定可靠的负压，会影响系统的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路，能够很好的控制电路中SiC MOS的导通和关断，以提高系统稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供一种钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路，包括驱动芯片和增强型的碳化硅MOS管，所述驱动芯片内部集成驱动电路，所述驱动芯片还集成用于控制所述碳化硅MOS管的源极电压的硅MOS管；所述驱动芯片通过控制所述硅MOS管的导通和关断来实现所述碳化硅MOS管的导通和关断。
进一步地，所述硅MOS管为NMOS管。
进一步地，所述NMOS管的栅极输入电压信号，所述NMOS管的漏极通过所述驱动芯片的SOURCE端与所述碳化硅MOS管的源极连接，所述NMOS管的源极通过所述驱动芯片的CS端接地。
进一步地，所述碳化硅MOS管的栅极与所述驱动芯片的GATE端连接，所述驱动芯片的GATE端为所述碳化硅MOS管的栅极提供固定的钳位电压，以在所述NMOS管关断时使得所述碳化硅MOS管的栅极与源极之间形成固定的负电压差。进一步地，所述驱动芯片的GATE端通过钳位二极管接地。
进一步地，所述钳位电压为15V。
进一步地，所述NMOS管的栅极输入的电压信号为0V～5V的方波。
进一步地，在所述NMOS管关断时，所述碳化硅MOS管的栅极与源极的电压差为-5V。
本发明还提供一种ACDC反激式转换器，包括上述的钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路。
本发明的钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路，通过驱动芯片为SiC MOS提供固定的栅源负压，以维持SiC MOS的关断。驱动芯片内部具有与SiC MOS的源极串联的一个硅MOS管(例如NMOS管)，通过控制硅MOS管的导通和关断即可控制SiC MOS的导通和关断，电路结构简单，避免复杂电路结构对其它器件的影响。此外，本发明实施方式通过在SiCMOS的栅极加一个固定的钳位电压，在硅MOS管关断时实现栅极与源极的固定负压差，采用钳位源级驱动结构实现稳定的负压输出，保证SiC MOS导通和关断的稳定性，提高了系统的稳定性。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是传统结构驱动Si MOS在ACDC系统应用的电路图；
图2是传统结构驱动Si MOS的主要信号图；
图3是本发明一种实施方式提供的钳位源级驱动SiC MOS在ACDC系统应用的电路图；
图4是本发明一种实施方式提供的钳位源级驱动SiC MOS的主要信号图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是传统结构驱动Si MOS在ACDC系统应用的电路图。如图1所示，Si MOS的栅极与驱动芯片的GATE端连接，Si MOS的源极与驱动芯片的CS端连接并通过电阻R1连接到驱动芯片的GND端。SI MOS的栅极驱动关断电压是0V，内部驱动电路只需要产生一个常规的GATE信号(例如高电平为15V,低电平为0V)，就可以很好的控制SI MOS的导通和关断。图2是传统结构驱动Si MOS的主要信号图。传统ACDC系统的GATE、DRAIN、VDD的信号如图2所示，GATE为0V～15V的方波信号，VDD为固定的20V。当GATE为高电平15V时，DRAIN为接近0V；当GATE为低电平0V时，DRAIN＝Vline+Np/Ns*Vout，其中Vline是系统的整流桥后的输入电压，Vout是系统的输出电压，Np是主绕组的匝数，Ns是输出绕组的匝数。
图3是本发明一种实施方式提供的钳位源级驱动SiC MOS在ACDC系统应用的电路图。如图3所示，本发明实施方式提供的一种钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路，包括驱动芯片和增强型的碳化硅MOS管SiC MOS，为了防止增强型的SiC MOS的误导通，需要在其栅极与源极之间施加一个较大的负压(通常是-5V)。所述驱动芯片用于为增强型的SiCMOS提供固定的栅源负压，以维持增强型的SiC MOS的关断。所述驱动芯片内部集成驱动电路，所述驱动芯片还集成用于控制所述碳化硅MOS管的源极电压的硅MOS管M1，所述驱动芯片通过控制所述硅MOS管M1的导通和关断来实现所述碳化硅MOS管SiC MOS的导通和关断。本实施方式中，所述硅MOS管M1采用低压的NMOS管(额定电压30～40V)，其导通电阻非常小，基本不影响功率管通路的导通电阻。NMOS管M1的栅极输入电压信号G1，NMOS管M1的漏极通过驱动芯片的SOURCE端与碳化硅MOS管SiC MOS的源极连接，NMOS管M1的源极通过驱动芯片的CS端接地GND(CS端通过电阻R1连接到GND端)。碳化硅MOS管SiC MOS的栅极与驱动芯片的GATE端连接，通过驱动芯片的GATE端提供固定的钳位电压。本实施方式中，驱动芯片的GATE端通过钳位二极管D7接地，得到GATE端的钳位电压VCLAMP。
图4是本发明一种实施方式提供的钳位源级驱动SiC MOS的主要信号图。如图4所示，本实施方式中钳位电压VCLAMP固定为15V，即驱动芯片的GATE端电压固定为15V，VDD为固定的20V。NMOS管M1的栅极输入的电压信号G1为0V～5V的方波，低电平0V，高电平5V。在SiC MOS的栅极加15V的钳位电压VCLAMP，当NMOS管M1导通时，SiC MOS的源极电压被拉低，从而将其漏极电压DRAIN拉低；当NMOS管M1关断时，SiC MOS的源极(即驱动芯片的SOURCE端电压)电压被钳位为比栅极电压高5V左右(VCLAMP+5V)，栅极与源极的电压差为-5V，从而维持SiC MOS的关断，此时SiC MOS的漏极DRAIN为高电平(DRAIN＝Vline+Np/Ns*Vout)。
需要说明的是，本发明的驱动芯片内部集成的驱动电路采用现有的驱动Si MOS电路，本发明实施例的附图未展示现有的驱动Si MOS电路结构。本发明是在现有驱动Si MOS电路的基础上的改进。
本发明实施方式的钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路，通过驱动芯片为SiC MOS提供固定的栅源负压，以维持SiC MOS的关断。驱动芯片内部具有与SiC MOS的源极串联的一个低压的NMOS管，通过控制NMOS管的导通和关断即可控制SiC MOS的导通和关断，电路结构简单，避免复杂电路结构对其它器件的影响。此外，本实施方式通过在SiC MOS的栅极加一个固定的钳位电压，在NMOS管M1关断时实现栅极与源极的固定负压差，采用钳位源级驱动结构实现稳定的负压输出，保证SiC MOS导通和关断的稳定性，提高了系统的稳定性。
本发明实施方式还提供一种ACDC反激式转换器，包括上述的钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路。一种ACDC反激式转换器结构如图3所示，采用本实施方式的钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的方式，驱动芯片实现稳定的负压输出，提高ACDC系统的稳定性。
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
Claims (6)
1.一种钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路，包括驱动芯片和增强型的碳化硅MOS管，所述驱动芯片内部集成驱动电路，其特征在于，所述驱动芯片还集成用于控制所述碳化硅MOS管的源极电压的硅MOS管；
所述驱动芯片通过控制所述硅MOS管的导通和关断来实现所述碳化硅MOS管的导通和关断；
所述硅MOS管为NMOS管；
所述NMOS管的栅极输入电压信号，所述NMOS管的漏极通过所述驱动芯片的SOURCE端与所述碳化硅MOS管的源极连接，所述NMOS管的源极通过所述驱动芯片的CS端接地；
所述碳化硅MOS管的栅极与所述驱动芯片的GATE端连接；
所述驱动芯片的GATE端为所述碳化硅MOS管的栅极提供固定的钳位电压，以在所述NMOS管关断时使得所述碳化硅MOS管的栅极与源极之间形成固定的负电压差。
2.根据权利要求1所述的钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路，其特征在于，所述驱动芯片的GATE端通过钳位二极管接地。
3.根据权利要求1所述的钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路，其特征在于，所述钳位电压为15V。
4.根据权利要求3所述的钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路，其特征在于，所述NMOS管的栅极输入的电压信号为0V～5V的方波。
5.根据权利要求4所述的钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路，其特征在于，在所述NMOS管关断时，所述碳化硅MOS管的栅极与源极的电压差为-5V。
6.一种ACDC反激式转换器，其特征在于，包括权利要求1-5中任意一项所述的钳位源级驱动碳化硅半导体场效应管的电路。
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