CN113659967A - 用于优化碳化硅mosfet开关特性的驱动电路及方法 - Google Patents
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Abstract
用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路及方法，包括输入单元、隔离单元、驱动单元、电感单元、连接单元和保护单元，所述输入单元的电压信号和脉冲信号经过隔离单元的隔离和电平转换后输入到驱动单元；所述驱动单元通过接收脉冲信号完成对电压信号的切换，经连接单元向碳化硅MOSFET施加正负驱动电压；所述电感单元采用带螺纹的软磁铁氧体，通过旋转改变软磁铁氧体在线圈中的位置，改变线圈的磁导率，进而改变线圈的电感值，最终实现驱动回路总寄生电感值的调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种驱动电路，尤其是涉及一种用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路、方法及其应用。
背景技术
随着电动汽车、光伏逆变器等电力电子器件应用领域的蓬勃发展，电力电子器件已逐渐向高频、高功率密度方向发展。碳化硅功率器件因具有宽禁带、高击穿场强、高饱和漂移速度和高热导率等优越电学特性，在电力电子应用领域得到越来越广泛的应用。碳化硅MOSFET相比于同等级的硅MOSFET或硅IGBT，具有开关速度快、耐压等级高以及热稳定性良好等优点，可稳定工作在高温、高辐射等恶劣环境。
快速的开关暂态过程使得碳化硅MOSFET对寄生电感特别敏感，导致碳化硅MOSFET在开关过程中出现较大的关断漏源极电压过冲和开通漏极电流过冲。一方面，较大的电压电流过冲会产生电磁干扰问题，威胁到器件的安全运行。另一方面也会导致器件的降额使用，造成器件成本提高。驱动电路可直接控制碳化硅MOSFET器件的开通和关断，因此，可以直接通过设计碳化硅MOSFET的驱动电路，改变器件开关速度，进而实现开关过程的优化。目前，主要有两种驱动电路设计方法来解决碳化硅MOSFET开关过程中电压电流过冲较大这一问题。
对于传统的驱动电路而言，一般采用大电阻驱动方法。专利[1]：公开号：CN103944549A，发明名称“一种高可靠性MOSFET驱动电路”中公开了一种MOSFET驱动电路。该驱动电路中开通和关断阶段通过不同的驱动回路选用不同的驱动电阻，进而调节器件开通和关断速度。但当选用小电阻驱动时，较小的驱动电阻会导致器件的开通、关断速度变大，使得碳化硅MOSFET的关断漏源极电压过冲或者开通漏极电流过冲增大；当选用大电阻驱动时，开通、关断速度变小，器件的关断漏源极电压过冲或者开通漏极电流过冲减小，但由于开通、关断时间的增加，漏源极电压和漏极电流的上升、下降时间变长，进而导致器件的开通和关断损耗线性增加。
主动驱动电路通过在开关过程中改变驱动参数，能实现比传统驱动电路更好的开关特性，在降低开关损耗的同时，降低关断漏源极电压过冲和开通漏极电流过冲。目前常见的主动驱动电路主要包括：变驱动电阻驱动电路、变驱动电压驱动电路和变驱动电流驱动电路等。专利[2]：公开号：CN106059552A，发明名称：“基于MOSFET开关动态特性的驱动电路”中公开了一种实现MOFSET开关各阶段驱动电路动态切换的驱动电路，专利[3]：公开号：CN110112893A，发明名称：“一种碳化硅半导体场效应管的驱动电路”中公开了一种栅极分流电路，可以通过对驱动电流的调控，实现高开关速度以及低电压尖峰。但此类方法需要额外的检测电路和反馈电路，电路设计十分复杂且成本较高。专利[4]：公开号：CN103293383A公开一种功率MOSFET器件串联电阻的测试电路，所述测试电路包括脉冲发生器、相位显示器、电压波形数字转换器、电流波形数字转换器、可调电感、第一选通开关和第二选通开关；脉冲发生器的信号端通过串联电流波形数字转换器、可调电感与第一选通开关的固定端电连接；第一选通开关的两个选择端分别与栅极和漏极电连接；第二选通开关的两个选择端分别与源极和漏极电连接；电压波形数字转换器的一端与可调电感电连接；相位显示器电压输入端的一端与可调电感电连接，另一端接地；相位显示器电流输入端与可调电感电连接。此外，诸如现有技术：CN103592517 A、CN108092419 A、CN207602108U等，包括可调电感，并且，调共模电感采用带螺纹的软磁铁氧体，可调电感模块与谐振线圈插口两端串联，电感调节旋钮通过控制软磁铁氧体的铁心在可调电感中的位置来改变电感大小，电感量可调范围在2.1-6.8uH；再如：CN106298165 A、CN109917192 A、CN102543361 A虽然也都涉及到可调电感，但是，上述现有技术中可调电感的功能和作用并不是改善碳化硅MOSFET在开关过程中的漏源极电压过冲和漏极电流过冲的问题，本领域技术人员在上述现有技术的基础上没有动机也没有结合启示将其应用于驱动电路中以改善碳化硅MOSFET的开关特性。
发明内容
针对现有驱动电路设计方法存在的问题，本发明提出了一种用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路以解决上述技术问题。其技术方案如下：
用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路，包括输入单元、隔离单元、驱动单元、电感单元、连接单元和保护单元，所述输入单元的电压信号和脉冲信号经过隔离单元的隔离和电平转换后输入到驱动单元；所述驱动单元通过接收脉冲信号完成对电压信号的切换，经连接单元向碳化硅MOSFET施加正负驱动电压；所述电感单元采用带螺纹的软磁铁氧体，通过旋转软磁铁氧体在线圈中的位置，改变线圈的磁导率，进而改变线圈的电感值，最终实现驱动回路总寄生电感值的调整。改善碳化硅MOSFET的开关特性，有效抑制器件关断漏源极电压过冲和开通漏极电流过冲。
本发明还公开一种用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路PCB板设计方法。
本发明还公开一种将上述用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路PCB板设计方法应用于驱动电路PCB板设计中。
有益效果
本发明可以有效减小碳化硅MOSFET在开关过程中的漏源极电压过冲及漏极电流过冲，相较于其他驱动电路设计方法，本发明提出的驱动电路具有以下优势：
(1)本发明提出的一种用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路具有更强的有效性。此驱动电路可以有效改善碳化硅MOSFET因快速开关暂态过程而产生的关断漏源极电压过冲及开通漏极电流过冲问题，且兼顾器件的开关损耗问题，未造成高开关损耗等附生问题。
(2)本发明提出的一种用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路具有更强的实用性。此驱动电路在传统的驱动电路基础上引入了可调电感，无额外附加电路，设计简单，成本较低。
(3)本发明提出的一种用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路具有更广泛的适用性。应用本发明提出的驱动电路时，将驱动PCB板通过SMA连接器与功率回路PCB板连接，使用简便且适用于不同的功率回路布局。此驱动电路采用电源模块实现正负压驱动电压，相同封装下可以选用不同输出电压的电源模块，适用于各种型号不同驱动电压标准的功率半导体器件。
本发明提出的一种用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路具有更强的有效性、实用性以及更广泛的适用性。应用本发明提出的驱动电路，可以改善碳化硅MOSFET在开关过程中的漏源极电压过冲和漏极电流过冲，并兼顾器件的开关损耗，可用于指导设计碳化硅MOSFET相关的驱动电路，对提高碳化硅MOSFET在应用中的经济性和可靠性具有重要意义。
附图说明
图1为本发明驱动电路结构示意图；
图2可调电感结构图；
图3a为本发明驱动电路的PCB驱动板正面示意图；
图3b为本发明驱动电路的PCB驱动板反面示意图；
图4为本发明驱动电路有无保护单元器件栅源极电压波形；
图5a为本发明驱动电路与传统电路碳化硅MOSFET关断漏源极电压对比图；
图5b为本发明驱动电路与传统电路碳化硅MOSFET开通漏极电流对比图。
具体实施方式
本发明提出的驱动电路，包括输入单元、隔离单元、驱动单元、电感单元、连接单元和保护单元六个部分，驱动原理图如图1所示。输入单元的电压信号和脉冲信号，经过隔离单元的隔离和电平转换后，输入到驱动单元。驱动单元通过接收脉冲信号完成对电压信号的切换并通过输出电阻Rg与电感单元连接，所述电感单元的输出端与连接单元输入端连接进而向功率电路中碳化硅MOSFET施加正负驱动电压。
输入单元包括5V电压输入和脉冲输入。5V电压输入采用恒压源供电电源；脉冲信号通过脉冲信号发生器产生，可以手动输入脉冲时间与脉冲间隔。
输入单元的输出端与隔离单元的输入端连接。隔离单元包括电源模块、光纤及光纤接收器。电源模块一方面可以实现DC/DC电压转换，将模块输入电压转换成碳化硅MOSFET所需的正负开关电压。非隔离型电路主要包括BUCK降压电路、BOOST升压电路和BUCK-BOOST升降压电路。隔离型电路主要包括正激电路、反激电路、半桥型电路、全桥型电路和推挽型电路。一般情况下电源模块会采用非隔离型电路与光耦隔离组合的方式。光耦是一种转换器件，原理是通过电到光再到电的转换过程，通过这种转换可以把前级和后级隔离开来，起到保护作用。光耦一般把发光二极管和光敏三极管封装在一起，发光二极管为输入端，光敏三极管为输出端。光耦的优点是信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。电源模块可等效为驱动回路的电压源端，驱动回路寄生电感可从电源模块的输出端进行计算，从而不需要考虑由于恒压驱动源与驱动板连接的导线所引入的寄生电感。光纤模块可以实现信号隔离，有效避免信号噪声干扰。脉冲信号发生器将电信号转化为光信号，通过光纤模块中的光纤传导后，在光纤接收器将光信号再次转化为电信号，具体表现为光纤接收器输出的高低电平。
隔离单元的输出端与驱动单元的输入端连接。驱动单元包括驱动芯片与驱动电阻。电源模块的输出端连接驱动芯片的电压输入端，光纤接收器的输出端连接驱动芯片的控制输入端，通过光纤接收器输出的高低电平，控制驱动芯片输出正驱动电压或负驱动电压。本发明所提出的驱动电路中的驱动电阻可以选用小电阻(如3.3欧姆/0.5瓦)，保证较快的开关速度，抑制器件关断漏源极电压过冲和开通漏极电流过冲的同时，兼顾开关损耗问题。
电感单元的一端与驱动单元的输出端连接，另一端与保护单元输入端和连接单元连接。电感单元由可调电感构成，可调电感包括基座、骨架、线圈和带螺纹的软磁铁氧体四部分。可调电感结构图如图2所示，基座用于可调电感的固定作用，骨架位于基座之上，线圈螺旋缠绕在骨架表面，带螺纹的软磁铁氧体位于骨架之中。骨架内表面带有螺纹，通过旋转软磁铁氧体，可以改变软磁铁氧体位于骨架之中的深度，进而改变线圈的磁导率，从而改变线圈的电感值，最终实现驱动回路总寄生电感的调整。通过手动调节磁芯在骨架中的深度来调整电感值，相较于饱和电感器和开关电感器等其他可调电感结构，一方面具备体积较小的特点，有利于缩减驱动回路PCB板尺寸和走线长度，符合驱动回路设计要求。另一方面通过手动调节完全可以实现所需电感值的设置，手动调节比自动调节更加简便，不需要设置额外的电路，成本较低。可调电感长宽高为7mm*7mm*12mm，磁芯长度8mm，线圈匝数6.5T。使用阻抗分析仪提取可调电感变化范围，将阻抗分析仪测量端子分别连接可调电感两端，旋转软磁铁氧体改变深度分别进行测量和记录，阻抗分析仪的测量方法为自动平衡电桥法，在考虑测量精度和操作便携性时，是110MHz频率以下的最佳选择方案。当磁芯完全旋出骨架时，可调电感的电感值为30nH；当磁芯完全旋入骨架时，可调电感的电感值为200nH；可调电感的电感值的变化近似与磁芯旋入骨架的深度成正比关系。通过旋转软磁铁氧体，可以实现可调电感电感值50nH～200nH的变化范围，满足驱动回路需求。
驱动电路的PCB板与功率电路PCB板之间采用SMA连接器进行连接，由于SMA连接器采用同轴结构，电流路径相反，导线互感造成电路寄生电感减小，耦合电感串联计算公式如式(1)所示。
L′＝L1+L2-2M (1)
其中，L1和L2分别为两个电感的自感值，M为互感值。
同时，SMA连接器可以适用于带有对应SMA接口的不同的功率回路PCB板。PCB走线电感计算公式如式(2)所示。
其中，l为走线长度，W为走线宽度。
PCB过孔电感计算公式如式(3)所示。
其中，h为过孔深度，d为过孔直径。
可以看出在PCB布线过程中，应尽量保证PCB板走线更短、更粗并且减少过孔，控制走线引入的寄生电感。
本发明驱动电路PCB板采用双面设计，尺寸较小，仅为50mm*40mm*2mm，保证布局紧凑，元器件之间尽可能靠近，减小走线距离，并适当增大走线宽度。实物示意图如图3a，3b所示。驱动电路PCB板正面包括光纤接收器、驱动芯片、驱动电阻、接线端子以及SMA连接器。体积较大的电源模块与可调电感置于PCB板反面，最大程度上缩减设计尺寸。在隔离单元中，电源模块以及光纤模块中的光纤接收器连接驱动芯片的输入端，驱动电阻连接驱动芯片的输出端，三者围绕驱动芯片紧密连接，缩小走线距离，且驱动芯片的输入输出布线平行，增加互感以减小总寄生电感。驱动电阻Rg、可调电感和SMA连接器紧密相连且采用敷铜设计，走线距离短，寄生电感较小。
由于驱动回路分为多段且不便于连接阻抗分析仪的测量端子，将驱动回路电流路径划分为多个路径段，分别为电源模块至驱动芯片段(长3mm，宽2mm)、驱动芯片至驱动电阻段(1.5mm，1mm)、驱动电阻至可调电感段(长2.5mm，宽2mm)、可调电感至器件栅极段(长2mm，宽2mm)、器件共源极汇流点至驱动芯片段(长5mm，宽2mm)、驱动芯片至电源模块段(长3mm，宽2mm)。将驱动回路PCB设计图导入ANSYS Q3D软件中，Q3D是准静态的2D/3D电磁场仿真工具，采用的是电路理论，对电压和电流建立电路方程组求解，通过构建驱动回路每个路径段的RLC电路等效模型，提取其自寄生电感值与相互之间的互寄生电感值，将驱动电流路径每一段的电感值相加即可得到驱动回路原寄生电感值。可以得到驱动回路PCB板总寄生电感为11nH，相比于普通设计缩减了至少60％。
保护单元由肖特基二极管构成。肖特基二极管的阳极与连接单元的输入端连接，阴极与电源模块的正压输出端连接。肖特基二极管作为一种低功耗、超高速半导体器件，最显著的特点时反向恢复时间极短且正向导通压降仅有0.4V左右。当器件栅极电压超过电源模块正压输出时，肖特基二极管正向快速导通，形成电流通路，驱动电路电流经保护单元通路流回电源模块，避免继续向器件栅源极电容充电，进而抑制了碳化硅MOSFET栅源极电压过冲。有无保护单元器件栅源极电压波形如图4所示，在未加入保护单元时，碳化硅MOSFET栅源极电压过冲超过了25V安全工作电压，对器件的正常运行有潜在危害。而加入保护单元后，器件栅源极电压被控制在25V安全工作电压以下。通过加入保护单元，有效抑制了碳化硅MOSFET栅源极电压过冲，保障了碳化硅MOSFET的可靠运行。
本发明提出的用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路，在缩减原寄生电感的设计基础上，采用带螺纹的软磁铁氧体，通过旋转软磁铁氧体在线圈中的位置，改变线圈的磁导率，进而改变线圈的电感值，最终实现驱动回路总寄生电感值的大范围调整。通过调整驱动回路总寄生电感，可以实现碳化硅MOSFET开关特性的优化。本发明所提出的驱动电路(驱动回路总寄生电感可实现大范围调整，以105nH为例)与传统驱动回路(驱动回路总寄生电感固定为30nH)双脉冲实验电压电流对比如图5所示。传统驱动回路的关断漏源极电压过冲为160V，而本发明所提出的驱动电路的关断漏源极电压过冲为90V，减小了43％。传统驱动回路的漏极电流过冲为3A，而本发明所提出的驱动电路的漏极电流过冲为2A，减小了33％。相比于传统驱动电路，本发明所提出的驱动电路具有更低的关断漏源极电压过冲和开通漏极电流过冲。
驱动电路采用电源模块，实现了电气隔离，避免了恒压驱动源与驱动PCB连接导线所引入的寄生电感。在驱动回路PCB板设计中尽可能保证走线更短更粗以及减少过孔，驱动回路PCB板尺寸为50mm*40mm*2mm，驱动回路PCB总走线长度约为17mm，宽度约为2mm，并将相反电流路径的走线靠近充分利用相反驱动电流路径的互感效应。驱动回路PCB板与功率回路PCB板的连接采用SMA同轴连接器，由于同轴结构的互感效应，近似忽略其引入的寄生电感。最终提取驱动回路PCB板总寄生电感为11nH，相比于普通设计缩减了至少60％。
电感单元通过调整驱动回路总寄生电感；所述电感单元采用带螺纹的软磁铁氧体，通过旋转软磁铁氧体在线圈中的位置，改变线圈的磁导率，进而改变线圈的电感值，最终实现驱动回路总寄生电感值的调整。可以改善碳化硅MOSFET的开关特性，有效抑制器件关断漏源极电压过冲和开通漏极电流过冲。另外，保护单元可以有效抑制驱动回路栅极电感变化引起的碳化硅MOSFET栅源极电压过冲，实现器件栅源极保护功能。
本发明提出了一种用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路，可以有效抑制器件在开关过程中发生的漏源极电压过冲和漏极电流过冲。并且此方法兼顾开关损耗，未向电路中引入高损耗等附生问题。
本发明提出的用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路更具有实用性。此驱动电路经过电源隔离、走线布局、SMA连接等优化设计之后，通过简单的可调电感实现驱动回路总寄生电感的大范围调整，进而实现优化碳化硅MOSFET开关特性。应用此驱动电路，不需要设计复杂的监测和反馈电路，操作简单，不需要较多的电子元器件，成本较低。
此外，本发明提出的用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路具有更广泛的适用性。应用本发明提出的驱动电路时，将驱动回路PCB板通过SMA连接器与功率回路PCB板连接，使用简便且适用于不同的功率回路布局。另外，此驱动电路采用电源模块实现正负压驱动电压，相同封装下可以选用不同输出电压的电源模块，适用于各种型号不同驱动电压标准的功率半导体器件。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路，包括输入单元、隔离单元、驱动单元、电感单元、连接单元和保护单元，所述输入单元的电压信号和脉冲信号经过隔离单元的隔离和电平转换后输入到驱动单元；所述驱动单元通过接收脉冲信号完成对电压信号的切换，经连接单元向碳化硅MOSFET施加正负驱动电压；其特征为：所述电感单元采用带螺纹的软磁铁氧体，通过旋转改变软磁铁氧体在线圈中的位置，改变线圈的磁导率，进而改变线圈的电感值，最终实现驱动回路总寄生电感值的调整。
2.根据权利要求1所述的用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路，其特征为：所述输入单元包括5V电压输入和脉冲输入；5V电压输入采用恒压源供电电源；脉冲信号通过脉冲信号发生器产生，可以手动输入脉冲时间与脉冲间隔。
3.根据权利要求1所述的用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路，其特征为：所述隔离单元包括电源模块、光纤模块；所述电源模块一方面实现电平转换，将5V输入电压转换成碳化硅MOSFET所需的正负开关电压，另一方面采用光耦隔离技术可以实现电压隔离；光纤模块实现信号隔离避免信号噪声干扰，脉冲信号发生器将电信号转化为光信号，通过光纤模块中的光纤传导后，在光纤接收器将光信号再次转化为电信号，具体表现为光纤接收器输出的高低电平。
4.根据权利要求1所述的用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路，其特征为：所述驱动单元包括驱动芯片与驱动电阻；电源模块的输出端连接驱动芯片的电压输入端，光纤模块中光纤接收器的输出端连接驱动芯片的控制输入端，通过光纤接收器输出的高低电平，控制驱动芯片输出正驱动电压或负驱动电压。
5.根据权利要求4所述的用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路，其特征为：所述驱动电阻选取为3.3欧姆/0.5瓦，保证较快的开关速度，抑制器件关断漏源极电压过冲和开通漏极电流过冲的同时，兼顾开关损耗问题。
6.根据权利要求1所述的用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路，其特征为：所述保护单元由肖特基二极管构成；肖特基二极管的阳极与连接单元的输入端连接，阴极与电源模块的正压输出端连接。
7.用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路PCB板结构，包括权利要求1-6任一所述的用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路，其特征为：所述驱动电路PCB板结构采用双面设计；驱动电路PCB板正面包括光纤接收器、驱动芯片、驱动电阻、接线端子以及SMA连接器；电源模块、可调电感、保护单元设置于PCB板反面；在隔离单元中，电源模块以及光纤模块中的光纤接收器连接驱动芯片的输入端，驱动电阻连接驱动芯片的输出端，三者围绕驱动芯片紧密连接，缩小走线距离，且驱动芯片的输入输出布线平行，增加互感以减小总寄生电感；驱动电阻、可调电感和SMA连接器紧密相连且采用敷铜设计，走线距离短，寄生电感较小。
8.用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路PCB板设计方法，包括权利要求1-6任一所述的用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路，其特征为：包括如下步骤：
步骤1：采用电源模块实现隔离；
步骤2：对驱动电路PCB板实现优化布局，减少走线布局引入的寄生电感；
步骤3：通过可调电感并采用敷铜设计实现驱动电路总寄生电感的调整；
步骤4：通过调整驱动回路总寄生电感，优化碳化硅MOSFET开关特性。
9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征为：所述步骤2进一步包括：驱动电路PCB板与功率电路PCB板采用SMA连接器进行连接，由于SMA连接器采用同轴结构，电流路径相反，导线互感造成电路寄生电感减小。
10.将权利要求1-6任一所述的用于优化碳化硅MOSFET开关特性的驱动电路应用于驱动电路PCB板设计中。
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