发明内容
本发明要解决的问题至少包括改善碳化硅MOS管在高频工作时容易出现击穿或者误导通等问题。
为解决上述问题,本申请采用的技术方案如下:
第一方面,本发明提供一种驱动电路,所述驱动电路包括:碳化硅MOS管、驱动芯片以及驱动回路;
所述碳化硅MOS管包括栅极与源极,所述驱动芯片包括第一控制端;
所述第一控制端通过驱动回路与所述碳化硅MOS管的栅极连接,所述碳化硅MOS管的源极接地;
所述驱动芯片用于通过所述第一控制端输出高电平的驱动信号,以驱动所述碳化硅MOS管导通;
所述驱动芯片还用于通过所述第一控制端输出低电平的驱动信号,以驱动所述碳化硅MOS管关断;
所述碳化硅MOS管的栅极与所述第一控制端之间设置有降压回路,所述降压回路与所述驱动回路并联,所述降压回路用于在所述碳化硅MOS管切换导通状态的情况下,将所述栅极的振荡电压消耗释放。
本申请实施例提供的方案,通过在栅极与驱动芯片的第一控制端之间设置降压回路,当碳化硅MOS管的栅极因状态切换产生尖峰电压的情况下,可以通过降压回路迅速将尖峰电压释放,防止尖峰电压将碳化硅MOS管击穿或者导致误导通,提高了电路的可靠性和稳定性。
在可选的实施方式中,所述降压回路包括第一二极管与第一电阻,所述第一二极管的阳极与所述碳化硅MOS管的栅极连接,所述第一二极管的阴极通过所述第一电阻与所述驱动芯片的第一控制端连接。
通过设置第一二极管和第一电阻,在碳化硅MOS管的栅极因状态切换产生尖峰电压的情况下,使得尖峰电压可以通过第一二极管和第一电阻单向流动至第一控制端,碳化硅MOS管的栅极电压迅速降低,保了栅极电压的稳定,避免因栅极电压尖峰和振荡造成击穿和误导通。
在可选的实施方式中,所述驱动回路包括第二电阻,所述第二电阻的第一端与所述碳化硅MOS管的栅极连接,所述第二电阻的第二端与所述第一控制端连接。
在可选的实施方式中,所述驱动回路还包括第二二极管以及第三电阻;
所述第二二极管的阳极与所述碳化硅MOS管的栅极连接,所述第二二极管的阴极通过所述第三电阻与所述第一控制端连接。
在可选的实施方式中,所述驱动电路还包括第一电容,所述第一电容的第一端与所述碳化硅MOS管的栅极连接,所述第一电容的第二端与所述碳化硅MOS管的源极连接,所述第一电容用于在所述碳化硅MOS管切换导通状态的情况下,减缓所述碳化硅MOS管切换导通状态产生的电流振荡。
在可选的实施方式中,所述驱动电路还包括第四电阻,所述第四电阻的第一端与所述碳化硅MOS管的栅极连接,所述第四电阻的第二端与所述碳化硅MOS管的源极连接。
在可选的实施方式中,所述驱动电路还包括第一稳压管,所述第一稳压管的阳极与所述碳化硅MOS管的源极连接,所述第一稳压管的阴极与所述碳化硅MOS管的栅极连接。
在可选的实施方式中,所述第一电容的容值小于或等于330pF。
第二方面,本发明提供一种升压电路,所述升压电路包括第一电感、碳化硅二极管、电容组件以及如前述实施方式任意一项所述的驱动电路,所述第一电感的第一端用于接入电源,所述第一电感的第二端与所述碳化硅MOS管的漏极连接;
所述第一电感的第二端还与所述碳化硅二极管的阳极连接,所述碳化硅二极管的阴极与所述电容组件的第一端电连接,所述电容组件的第二端、所述碳化硅MOS管的源极均接地。
第三方面,本发明提供一种空调器,所述空调器包括如前述实施方式所述的升压电路。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
目前空调上,外机控制器上的PFC电路,使用硅材料的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)和硅材料快恢复二极管(Fast recoverydiode,FRD)。但Si IGBT因电导率调制,有严重的拖尾电流,开关损耗大,所以决定了SiIGBT的开关频率不能太高,频率最高不超过50kHz;而由于Si IGBT开关频率较低,与之匹配的PFC电感感量大、体积较大,整个空调外机控制器体积大,效率低。
控制器随新材料如碳化硅(SiC)器件等的应用,将实现小型化,高效化以及高频化。随着新材料SiC器件的发展,SiC器件将代替Si器件,SiC MOS管与Si IGBT相比,前者具有的高耐压、低阻抗、高频性、低损耗、耐高温等特性,明显优于Si IGBT,SiC MOS管无电导率调制,拖尾电流、损耗小,因此开关频率可达60kHz以上;SiC肖特基二极管(SchottkyBarrierDiode,SBD)与硅材料快恢复二极管(Fast recovery diode,FRD)相比,SiC SBD反向恢复时间非常小,反向电流很小,也具有高耐压、低阻抗、高频性、低损耗、耐高温等特性,因此SiCMOS管代替Si IGBT器件,SiC肖特基二极管(即SiC SBD)代替Si快恢复二极管在空调外机的PFC电路上的应用,将成为未来的趋势,除此之外SiC器件的应用可以使得控制器效率提升,也间接可以减少其他器件体积,如电感、散热器等,使得控制器小型化。
但在开关频率在60kHz以上的情况下,SiCMOS管的开启和关断会引起很高的瞬时电压和瞬时电流,在栅极处产生电流电压尖峰和振荡,可能引起SiCMOS管栅极电压过高,导致击穿或者误导通;SiC MOS管栅极阈值电压的最小值比硅材料IGBT的栅极阈值电压的最小值要低很多,一般在2.7V左右,因此在关断过程中的栅极处的电流电压尖峰和振荡,很可能引起栅极误导通。
基于上述技术问题,本申请提供一种驱动电路,以改善碳化硅MOS管在高频应用下容易导致的击穿或误导通等问题。如图1所示,图1示出了本申请实施例提供的驱动电路100的示意图。
请参阅图1,本申请实施例提供的驱动电路100包括:碳化硅MOS管MOS1、驱动芯片U1以及驱动回路120。
碳化硅MOS管MOS1包括漏极D、栅极G与源极S,驱动芯片U1包括第一控制端OUT,第一控制端OUT通过驱动回路120与碳化硅MOS管MOS1的栅极G连接,碳化硅MOS管MOS1的源极S接地;
驱动芯片U1通过第一控制端OUT输出驱动信号,例如高电平信号或者低电平信号,以驱动碳化硅MOS管MOS1导通或关断。例如,驱动芯片U1通过第一控制端OUT向碳化硅MOS管MOS1的栅极G输出高电平的驱动信号,以驱动碳化硅MOS管MOS1导通;或者,驱动芯片U1通过第一控制端OUT向碳化硅MOS管MOS1的栅极G输出低电平的驱动信号,以驱动碳化硅MOS管MOS1关断。
其中,驱动回路120包括第二电阻R2、第二二极管D2以及第三电阻R3,第二电阻R2的第一端与碳化硅MOS管MOS1的栅极G连接,第二电阻R2的第二端与第一控制端OUT连接。第二二极管D2的阳极与碳化硅MOS管MOS1的栅极G连接,第二二极管D2的阴极通过第三电阻R3与第一控制端OUT连接。
第二电阻R2可以用于对驱动芯片U1输出的驱动信号进行分压,在可能的实现方式中,驱动芯片U1的第一控制端OUT输出18V的高电平信号,而碳化硅MOS管MOS1的栅极G阈值电压约为2.7V左右,因此利用第二电阻R2对驱动信号进行分压,同时起到减缓栅极G电压上升速率、降低电磁干扰的作用。
由于碳化硅MOS管MOS1的栅极G会产生寄生电容,且MOS管的寄生电容达到nF级,为了避免寄生电容影响碳化硅MOS管MOS1的正常启动与关断,设置了第二二极管D2与第三电阻R3,二者串联于碳化硅MOS管MOS1与第一控制端OUT之间,利用第二二极管D2限制寄生电容的放电方向,利用第三电阻R3将寄生电容产生的电能消耗掉,碳化硅MOS管MOS1的栅极G电压可以快速下降,提高碳化硅MOS管MOS1的关断速度。
碳化硅MOS管MOS1的开关频率在60kHz以上,由于在导通状态切换的过程中,碳化硅MOS管MOS1的栅极G会产生振荡的电流,会存在较大的尖峰电流与尖峰电压,为了避免碳化硅MOS管MOS1的栅极G电压过高导致击穿或者误导通,于本申请实施例中,在碳化硅MOS管MOS1的栅极G与第一控制端OUT之间设置有降压回路110,降压回路110与驱动回路120并联,降压回路110用于在碳化硅MOS管MOS1切换导通状态的情况下,将栅极G的振荡电压消耗释放。
虽然本申请实施提高的驱动回路120设置了第二二极管D2与第三电阻R3以及第二电阻R2,可以对碳化硅MOS管MOS1栅极G产生的尖峰电压进行适当的释放,但由于碳化硅MOS管MOS1的开关频率较高,栅极G产生的尖峰电压或电流较大,因此还需额外设置降压回路110,辅助栅极G的电能尽快释放。
在可选的实施方式中,设置有降压回路110,降压回路110与驱动回路120并联,设置于碳化硅MOS管MOS1的栅极G与驱动芯片U1的第一控制端OUT之间,用于将碳化硅MOS管MOS1栅极G的尖峰电压快速释放掉。
降压回路110包括第一二极管D1与第一电阻R1,第一二极管D1的阳极与碳化硅MOS管MOS1的栅极G连接,第一二极管D1的阴极通过第一电阻R1与驱动芯片U1的第一控制端OUT连接。第一二极管D1与第一电阻R1,在栅极G的尖峰电压释放的情况下,与第二二极管D2与第三电阻R3并联,降低等效电阻,加快电压释放的速度。因此第一二极管D1与第一电阻R1这一降压回路110,在碳化硅MOS管MOS1切换至关断状态的情况下(驱动电压为低电平信号),可以加快栅极G的尖峰电压释放的速度,避免因为栅极G电压的震荡而误导通。
除了设置降压回路110之外,本申请实施例还可以通过其他的方式来降低栅极G的电压或电流振荡的幅度。在可选的实施方式中,驱动电路100还包括第一电容C1,第一电容C1的第一端与碳化硅MOS管MOS1的栅极G连接,第一电容C1的第二端与碳化硅MOS管MOS1的源极S连接,第一电容C1用于在碳化硅MOS管MOS1切换导通状态的情况下,增加了对位移电流的吸收能力,减少了电流的震荡,减缓碳化硅MOS管MOS1切换导通状态产生的电流振荡,提高了器件工作的可靠性。
第一电容C1的容值不宜过大,一般为pF级别,在可选的实施方式中,第一电容C1的容值小于或等于330pF。
同时,需要说明的是,本申请电路图中所示仅设置一个第一电容C1,但在实际应用过程作用,可以根据实际需求选用更多数量的电容用以减缓栅极G的电流或电压的振荡幅度,例如,还可以设置2个或者更多电容,且2个或更多电容并联连接。
在可选的实施方式中,为了进一步保护碳化硅MOS管MOS1,驱动电路100还包括第四电阻R4,第四电阻R4的第一端与碳化硅MOS管MOS1的栅极G连接,第四电阻R4的第二端与碳化硅MOS管MOS1的源极S连接。第四电阻R4能够起到泄放电阻的作用,其能够起到将碳化硅MOS管MOS1的栅极G与源极S之间的静电泄放掉的作用,从而起到了保护碳化硅MOS管MOS1的作用。
同时,为了防止碳化硅MOS管MOS1出现过压击穿的情况,在可选的实施方式中,驱动电路100还包括第一稳压管ZD1,第一稳压管ZD1的阳极与碳化硅MOS管MOS1的源极S连接,第一稳压管ZD1的阴极与碳化硅MOS管MOS1的栅极G连接。第一稳压管ZD1能够起到稳定碳化硅MOS管MOS1的源极S与栅极G之间电压的作用。
本申请提供的驱动电路100的工作原理为:驱动芯片U1的第一控制端OUT输出高电平信号,碳化硅MOS管MOS1的栅极G电压升高,碳化硅MOS管MOS1导通;驱动芯片U1的第一控制端OUT输出低电平信号的情况下,碳化硅MOS管MOS1的栅极G电压降低,但由于开关频率较高以及栅极G寄生电容的存在,栅极G会产生振荡的信号,利用第一电容C1降低振荡信号的幅度,同时利用增设的第一二极管D1与第一电阻R1将栅极G产生的振荡信号迅速释放、消耗掉,加快碳化硅MOS管MOS1的关断速率,令栅极G电压迅速降低,避免击穿或者误导通。
上述驱动芯片U1的型号可以选用BM61S41RFV,为了简化说明,本申请不再对驱动芯片U1内部的具体电路及其它引脚进行详细说明。当然地,在其它的一些实施例中,也可以采用具备同样功能的其它型号驱动芯片U1,本申请对此并不做任何限定。
其中,BM61S41RFV芯片的OUT引脚可以用作本申请实施例提供的第一控制端OUT,可以输出低电平或高电平的驱动信号,需要说明的是,本申请所述低电平与高电平仅为相对概念,例如,电压值小于或等于3V时为低电平,电压值大于3V时为高电平,在可选的实现方式中,驱动芯片U1输出的高电平信号为18V的信号。
本申请还提供了一种升压电路200,需要说明的是,本申请实施例提供的升压电路200,其技术效果以及产生技术效果的原理与上述实施例提供的驱动电路100基本相同,为简要描述,本申请实施例不再进行详细说明,本申请实施例未介绍详尽之处,请参阅前述实施方式中的相关内容。
请参阅图2,升压电路200包括第一电感L1、碳化硅二极管D3、电容组件210以及如前述实施方式任意一项的驱动电路100,第一电感L1的第一端L1_1用于接入电源,第一电感L1的第二端L1_2与碳化硅MOS管MOS1的漏极D连接;
第一电感L1的第二端L1_2还与碳化硅二极管D3的阳极连接,碳化硅二极管D3的阴极与电容组件210的第一端电连接,电容组件210的第二端、碳化硅MOS管MOS1的源极S均接地。
上述碳化硅二极管D3可以采用碳化硅肖特基二极管,如图2所示,在肖特基二极管的两端还可以设置电阻、电容等器件。
在可能的实现方式中,电容组件210包括电容E1与电容E2,电容E1与电容E2并联。上述电容E1、电容E2用于存储能量,对负载释放能量,因此电容E1、电容E2的容量较高,在可能的实现方式中,电容E1、电容E2可以采用电解电容。
本申请实施例提供的升压电路200的工作原理为:
驱动芯片U1控制碳化硅MOS管MOS1持续切换导通状态,在导通与关断之间循环切换,在碳化硅MOS管MOS1导通的情况下,第一电感L1蓄能;在碳化硅MOS管MOS1关断的情况下,第一电感L1放能,从而利用电源输出的能量与第一电感L1输出能量共同为电容E1、电容E2充电,起到了升压的作用。
本申请还提供了一种空调器(图未示出),空调器包括如前述实施方式中提供的升压电路200。
综上所述,本申请提供了一种驱动电路、升压电路及空调器,驱动电路包括:碳化硅MOS管、驱动芯片以及驱动回路;碳化硅MOS管包括栅极与源极,驱动芯片包括第一控制端;第一控制端通过驱动回路与碳化硅MOS管的栅极连接,碳化硅MOS管的源极接地;驱动芯片用于通过第一控制端输出高电平的驱动信号,以驱动碳化硅MOS管导通;驱动芯片还用于通过第一控制端输出低电平的驱动信号,以驱动碳化硅MOS管关断;碳化硅MOS管的栅极与第一控制端之间设置有降压回路,降压回路与驱动回路并联,降压回路用于在碳化硅MOS管切换导通状态的情况下,将栅极的振荡电压消耗释放。本申请实施例提供的方案,通过在栅极与驱动芯片的第一控制端之间设置降压回路,当碳化硅MOS管的栅极因状态切换产生尖峰电压的情况下,可以通过降压回路迅速将尖峰电压释放,防止尖峰电压将碳化硅MOS管击穿或者导致误导通,提高了电路的可靠性和稳定性。
虽然本申请披露如上,但本申请并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本申请的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本申请的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。