CN113872420A

CN113872420A - 一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路

Info

Publication number: CN113872420A
Application number: CN202111113427.9A
Authority: CN
Inventors: 李庆辉; 潘三博
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2021-12-31

Abstract

本发明涉及一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，包括第一开关管、第二开关管和输入电压源，开关管均连接有辅助电路和驱动电路，辅助电路包括串扰电压抑制电容、第一RCD网络和第二RCD网络，驱动电路包括关断负压源和开关驱动电路，第一开关管中的电流依次流经有第一寄生电容、寄生电阻和第二寄生电容，串扰电压抑制电容连接第二RCD网络后并联在寄生电阻和第二寄生电容的两端，第一RCD网络连接关断负压源后并联在寄生电阻和第二寄生电容的两端；第一RCD网络的发射结连接寄生电阻，第二RCD网络的发射结连接第二寄生电容。与现有技术相比，本发明无需增加额外的控制信号，系统控制复杂度较低，同时也能达到桥臂串扰抑制的目的。

Description

一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路

技术领域

本发明涉及SiC—MOSFET驱动技术领域，尤其是涉及一种抑制SiC— MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路。

背景技术

高频桥式电路中的串扰现象，会造成SiC MOSFET的栅源极出现电压尖峰，导致开关管的误导通或栅源极负电压尖峰过高使开关管击穿，限制了SiC MOSFET 器件的高频应用。常用抑制串扰的方法分为无源抑制方法和有源抑制方法两类。无源抑制方法有以下几种：

1、增大驱动电阻

増大驱动电路中的驱动电阻可以降低开关过程中的dv/dt和di/dt，因此串扰产生过程中流过SiC MOSFET栅极电流Cgd*dv/dt减小。

2、栅源极间并联电容

串扰现象产生时，栅源极间的并联电容会分担一部分电流，相当于増大了栅源极间的等效电容，能在一定程度上减小栅源极电压尖峰。并联的电容的容值越大，则抑制效果越明显。

有源抑制方法中会用到三极管或MOS管。原有的利用三极管的方法只能抑制单向电压尖峰。而用MOS管的方式能有效抑制SiC MOSFET的栅源极正向和负向电压尖峰。

上述方法存在以下缺点：

增大驱动电阻的方法由于驱动电阻的増大，SiC MOSFET的开关速度下降，开关损耗増大。

栅源极间并联电容随着并联电容容值的増大，SiC MOSFET的正常开通和关断速度会明显下降，使得开关损耗増大，同时限制SiC MOSFET的开关频率的提升。

有源抑制方法会増加额外的控制信号，提升了系统控制的复杂程度。

公开号为CN107342756A的发明公开了一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动装置，属于SiC驱动技术领域。该装置包含主驱动电路及无源辅助电路，主驱动电路部分由DC-DC变换器单元、光耦隔离芯片单元、驱动芯片单元、驱动电阻单元构成；无源辅助电路部分由正向峰值电压抑制单元和负向峰值电压抑制单元构成。本发明提出了一种在传统驱动电路的基础上，增加三极管串联电容的新型辅助电路改进驱动方法。通过对主驱动电路和无源辅助电路参数的合理设计，实现抑制桥臂串扰的同时缩短开关延时时间，减小开关损耗，降低控制复杂程度的目标。

该方案中，正向电压尖峰会被第二RCD网络钳位在关断负压，负向电压尖峰会通过RCD网络将电容并联在栅源极间，这样既不影响SiC MOSFET的正常开通和关断速度，又能使开关损耗降低，使整个系统效率升高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，在不采用有源抑制方法增加额外驱动信号，提高控制系统复杂度的前提下，采用改进的三极管和RCD网络相结合的驱动电路，达到既不影响SiC MOSFET的正常开通和关断速度，又能抑制桥臂串扰的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，包括相互连接的第一开关管、第二开关管和输入电压源，所述第一开关管依次连接有第一辅助电路和第一驱动电路，所述第二开关管依次连接有第二辅助电路和第二驱动电路，其特征在于，

所述第一辅助电路包括第一串扰电压抑制电容、第一RCD网络和第二RCD 网络，所述第一驱动电路包括第一关断负压源和第一开关驱动电路，所述第一开关管中的电流依次流经有第一寄生电容、寄生电阻和第二寄生电容，所述第一串扰电压抑制电容连接第二RCD网络后并联在所述寄生电阻和第二寄生电容的两端，所述第一RCD网络连接第一关断负压源后并联在所述寄生电阻和第二寄生电容的两端；所述第一RCD网络的发射结连接所述寄生电阻，所述第二RCD网络的发射结连接所述第二寄生电容；所述第一串扰电压抑制电容的容值大于所述第二寄生电容的容值，所述第一关断负压源与所述第一开关管的电压方向相反；所述第一开关驱动电路用于通过第一辅助电路驱动第一开关管开通和关断；

所述第二辅助电路和第二驱动电路与所述第一辅助电路和第一驱动电路的结构相同。

进一步地，所述第二RCD网络和第一RCD网络均为RCD网络结构，该RCD 网络结构包括晶体管、发射结电阻和二极管，所述晶体管的基极、发射结电阻和晶体管的发射结依次连接，所述二极管并联在所述发射结电阻的两端，所述发射结电阻的两端接入所述第一辅助电路。

进一步地，所述RCD网络结构还包括基极电阻，所述晶体管的基极、基极电阻、发射结电阻和晶体管的发射结依次连接。

进一步地，所述晶体管为PNP型三极管。

进一步地，所述第一开关驱动电路包括驱动电源、开通开关和关断开关，所述驱动电源、开通开关、关断开关和第一关断负压源依次连接构成回路，所述第一串扰电压抑制电容和第二RCD网络与所述关断开关和第一关断负压源并联，所述第一RCD网络并联在关断开关两端。

进一步地，所述第一开关管和第二开关管的开通电压均在17V至19V范围以内，所述第一开关管和第二开关管的关断电压均在-4V至-6V范围以内。

进一步地，所述驱动电源和输入电压源的电压方向相同，所述第一关断负压源与所述驱动电源的电压方向相反。

进一步地，所述改进门极驱动电路还包括同步Buck电路，该同步Buck电路并联在第二开关管的两端。

进一步地，所述同步Buck电路包括整流电感、整流电容和整流电阻，所述整流电感和整流电容相互串联后并联在所述第二开关管的两端，所述整流电阻并联在所述整流电容的两端。

进一步地，所述输入电压源为直流电压源。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过只利用三极管和RCD网络结构相结合的驱动电路，在下桥臂产生正电压尖峰时三极管导通，将下开关管电压钳位在关断负电压。在下桥臂产生负电压尖峰时三极管导通，使电容并联在Cgs2，栅源极间的并联电容会分担一部分电流，相当于増大了栅源极间的等效电容，能在一定程度上减小栅源极电压尖峰。与有源添加控制信号抑制方法相比，无需增加额外的控制信号，系统控制复杂度较低，同时也能达到桥臂串扰抑制的目的。

(2)本发明是利用三极管与RCD网络相结合的驱动电路，器件均为无源器件，在满足抑制串扰的同时，也能保证在正常开通和关断过程不会产生额外的损耗，所设计的驱动电路也能保证器件的正常开通和关断速度；当桥臂串扰产生正向和负向电流尖峰时在驱动电阻上产生压降使三极管导通，达到正向电压尖峰产生时栅源极电压被钳位在关断负电压，负向电压尖峰产生时栅源极并联电容从而抑制负向电压尖峰的作用，从而达到抑制桥臂串扰的目的。

(3)本发明可以在高开关频率下解决SiC MOSFET开关器件上下桥臂串扰问题，保护开关器件，提高系统的可靠性，使系统安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种Vds2、Vgs2及驱动信号的波形示意图；

图3为本发明实施例中提供的在图2中t0时刻之前的改进门极驱动电路电流方向示意图；

图4为本发明实施例中提供的在图2中t0-t1阶段的改进门极驱动电路电流方向示意图；

图5为本发明实施例中提供的在图2中t1-t2阶段的改进门极驱动电路电流方向示意图；

图6为本发明实施例中提供的在图2中t2-t3及t3-t4阶段的改进门极驱动电路电流方向示意图；

图7为本发明实施例中提供的在图2中t4-t5阶段的改进门极驱动电路电流方向示意图；

图8为本发明实施例中提供的在图2中t5-t6阶段的改进门极驱动电路电流方向示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明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发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

实施例1

本实施例提供一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，包括相互连接的第一开关管、第二开关管和输入电压源，第一开关管依次连接有第一辅助电路和第一驱动电路，第二开关管依次连接有第二辅助电路和第二驱动电路，

第一辅助电路包括第一串扰电压抑制电容、第一RCD网络和第二RCD网络，第一驱动电路包括第一关断负压源和第一开关驱动电路，第一开关管中的电流依次流经有第一寄生电容、寄生电阻和第二寄生电容，第一串扰电压抑制电容连接第二 RCD网络后并联在寄生电阻和第二寄生电容的两端，第一RCD网络连接第一关断负压源后并联在寄生电阻和第二寄生电容的两端；第一RCD网络的发射结连接寄生电阻，第二RCD网络的发射结连接第二寄生电容；第一串扰电压抑制电容的容值大于第二寄生电容的容值，第一关断负压源与第一开关管的电压方向相反；第一开关驱动电路用于通过第一辅助电路驱动第一开关管开通和关断；

第二辅助电路和第二驱动电路与第一辅助电路和第一驱动电路的结构相同，该结构相同只包含的部件和连接关系相同，具体阻值、容值或规格可以存在差异。

本实施例中，第二RCD网络和第一RCD网络均为RCD网络结构，该RCD 网络结构包括晶体管、基极电阻、发射结电阻和二极管，晶体管的基极、基极电阻、发射结电阻和晶体管的发射结依次连接，二极管并联在发射结电阻的两端，发射结电阻的两端接入第一辅助电路。

第一开关驱动电路包括驱动电源、开通开关和关断开关，驱动电源、开通开关、关断开关和第一关断负压源依次连接构成回路，第一串扰电压抑制电容和第二 RCD网络与关断开关和第一关断负压源并联，第一RCD网络并联在关断开关两端。

驱动电源和输入电压源的电压方向相同，第一关断负压源与驱动电源的电压方向相反。

作为一种优选的实施方式，第一开关管和第二开关管的开通电压均在17V至 19V范围以内，第一开关管和第二开关管的关断电压均在-4V至-6V范围以内。

作为一种优选的实施方式，改进门极驱动电路还包括同步Buck电路，该同步 Buck电路并联在第二开关管的两端，用于对输入电压源的输入电压整流。

具体地，同步Buck电路包括整流电感、整流电容和整流电阻，整流电感和整流电容相互串联后并联在第二开关管的两端，整流电阻并联在整流电容的两端。

将上述优选的实施方式进行组合可以得到一种最优的实施方式，下面对该最优的实施方式进行具体描述。

本实施例提出了一种新型的、带辅助单元的SiC MOSFET驱动电路，在串扰产生过程中将SiC MOSFET的栅源极电压钳位在关断电压，减小开关过程中SiC MOSFET的栅源极电压尖峰。由于同步Buck电路结构简单，且两只开关管之间也存在串扰现象，因此利用此电路来分析新型驱动电路的工作原理。本实施例提出的适用于SiC MOSFET的同步Buck电路及其新型驱动电路如图1所示。其中方框中是驱动电路中添加的辅助单元，其中PNP型三极管无需外部的控制信号，只需要为三级管的发射结提供正向偏置电压就可使三极管导通。驱动电路中V1H和V1L (相当于驱动电源)分别为第一开关管Q1和第二开关管Q2的开通电压，V2H(相当于第一关断负压源)和V2L分别为Q1和Q2的关断电压。S1H(相当于开通开关)和S2H(相当于关断开关)分别为Q1的开通和关断开关，S1L和S2L分别为 Q2的开通和关断开关。RH(相当于发射结电阻)为Q1的驱动电阻，RL为Q2的驱动电阻，R5和R6分别用来控制PNP晶体管T2H和T2L的导通和关断。此外，用于抑制串扰现象的辅助单元由二极管D1,D2,D3和D4，晶体管T1H、T2H、T1L 和T2L，电阻R1(相当于基极电阻)、R2、R3和R4等组成。其中，R1、R2、R3 和R4用于限制辅体管的基极电流。电容C1(相当于第一串扰电压抑制电容)和 C2分别与PNP晶体管串联，当负向栅源极电压尖峰发生时可提供一个低阻抗回路。

工作原理为：下开关管Q2(下管)一直处于关断状态。当上开关管Q1(上管) 开通瞬间，Q₁和Q₂的寄生二极管换流。在Q₂的漏源极电压V_ds2上升时，寄生电容C_{gd_L}充电，充电电流分别流过C_{gd_L}和R_L，R_L上的电压使T_1L的发射结正偏， T_1L导通，将Q₂的栅源极电压钳位在关断负压V_2L处，使栅源极电压不会超过阈值开启电压V_th，从而起到抑制串扰正向电压尖峰的作用。当上管关断瞬间，电感电流会通过下开关管Q₂的寄生二极管续流。另一方面，部分电感电流会流经开关管的寄生电容C_{gs_L}从而产生负向电压尖峰。为消除此负向电压尖峰，在本文所提出的拓扑结构中，部分电流流经电阻R6，使得三极管T_2L的发射极电压高于基极电压使三极管T_2L的发射结正偏，T_2L导通，使得电容C₂并联到Q₂的栅源极，又C₂的容值远大于MOSFET的寄生电容C_{gs_L}，故在上管的关断瞬态，下管驱动电路为电感电流提供了一个低阻抗回路，从而使得串扰负向电压尖峰得到了抑制。

图1中开关管Q1和Q2的开通电压为18V，关断电压为-5V。由于此驱动电路能有效抑制开关管的栅源极电压尖峰，因此SiC MOSFET的关断电压选用-5V，这样可以提升SiCMOSFET的关断速度。在串扰产生阶段，辅助单元利用RH,R5,RL 和R6上的电压驱动晶体管导通，将开关管的栅源极电压钳位在关断电压或使电容 C1和C2并联在栅源极间，相当于増大了栅源极间的等效电容，从而达到抑制串扰问题的目的。

开关过程中的相关变量的波形如图2所示，S1为Q1的驱动信号，S2为Q2 的驱动信号，Vds2为Q2的漏源极电压，Vgs2为Q2的栅源极电压。

为分析辅助单元抑制串扰的工作原理，分时段描述单个开关周期开关管Q1， Q2，及其驱动电路的工作情况。不同时段的等效工作电路如图所示，驱动电路的导通回路标记箭头方向。其工作原理如下：

(1)t0时刻之前，驱动电路的等效电路如图3所示。Q1处于导通状态，Q2 处于关断状态，负载电流流过Q1的沟道。驱动回路中没有电流流动，因此驱动电路中RH和RL上的电压为零，四个三极管均处于截止状态，辅助单元不工作。

(2)to-t1阶段：如图4所示，在Q1的关断过程中，负压V2H给Q1的寄生电容Cgs-H充电，使开关管在关断时保持负压。同时，由于二极管D2存在内阻，三极管T2H的基极电压要略高于发射极电压，PNP型三极管关断，电容C1并没有接入电路，因此开关管的关断速度同样不受影响，这一过程如图4所示。当上管关断时，电感电流会通过下开关管Q2的寄生二极管续流。另一方面，部分电感电流会流经开关管的寄生电容Cgs-L从而产生负向电压尖峰。为消除此负向电压尖峰，在本文所提出的拓扑结构中，部分电流流经电阻R6，使得三极管T2L的发射极电压高于基极电压。因此，T2L导通，C2连接到Q2的栅源极，又C2的容值远大于MOSFET的寄生电容Cgs-L，故在上管的关断瞬态，下管驱动电路为电感电流提供了一个低阻抗回路，从而使得驱动电压负向尖峰得到了抑制。

(3)t1-t2阶段：换流过程结束后，Q1和Q2都处于关断状态，驱动回路中没有电流流动.驱动电阻RH和RL上的电压为零。T1H、T2H、T1L和T2L的发射结电压为零，四个三极管均处于截止状态，辅助单元不工作。如图5所示，负载电流流过Q2的反并联二极管。

(4)t2-t3阶段；图6是驱动电路的等效工作电路。在t2时刻，Q2开始导通， Q2的反并联二极管和Q2的沟道换流，由于二极管D3存在内阻，三极管T1L的基极电压要略高于发射极电压，PNP型三极管关断，开关管Q2的Cgs-L通过V1L， D3回路充电，因此开关管的开通速度同样不受影响，辅助单元在此过程中不起作用。

(5)t3-t4阶段：在此过程中Q1处于关断状态且Q2处于导通状态，驱动电阻RH和RL上的电压为零，T1H和T1L都处于截止状态。负载电流流过Q2的沟道，辅助单元不工作。工作电路如图6所示。

(6)t4-t5阶段：在t4时刻，Q2开始关断，驱动电阻RL上的电压使T1L的发射结正偏，T1L导通，Q2快速关断。在此过程中Q2的反并联二极管和Q2的沟道换流。工作电路如图7所示。

(7)t5-t6阶段：t5-时刻，Q1开始导通。Q1导通过程中，Q1和Q2的寄生二极管换流。在Q2的漏源极电压Vds2上升时，寄生电容Cgd2充电，充电电流分别流过Cgd2和RL，RL上的电压使T1L的发射结正偏，T2L导通，将Q2的栅源极电压钳位在V2L。工作电路如图8所示。

(8)t6时刻之后，负载电流流过Q1的沟道.Q2处于关断状态。工作电路如图8所示。

由上述分析可知，在Q2的漏源极电压Vds2的上升和下降过程中，其寄生电容Cgd2的充放电造成栅源极电压Vgs2发生变化。驱动电路的辅助单元能在此过程中将Q2的栅源极电压Vgs2钳位在驱动关断电压V2L。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，包括相互连接的第一开关管、第二开关管和输入电压源，所述第一开关管依次连接有第一辅助电路和第一驱动电路，所述第二开关管依次连接有第二辅助电路和第二驱动电路，其特征在于，

所述第一辅助电路包括第一串扰电压抑制电容、第一RCD网络和第二RCD网络，所述第一驱动电路包括第一关断负压源和第一开关驱动电路，所述第一开关管中的电流依次流经有第一寄生电容、寄生电阻和第二寄生电容，所述第一串扰电压抑制电容连接第二RCD网络后并联在所述寄生电阻和第二寄生电容的两端，所述第一RCD网络连接第一关断负压源后并联在所述寄生电阻和第二寄生电容的两端；所述第一RCD网络的发射结连接所述寄生电阻，所述第二RCD网络的发射结连接所述第二寄生电容；所述第一串扰电压抑制电容的容值大于所述第二寄生电容的容值，所述第一关断负压源与所述第一开关管的电压方向相反；所述第一开关驱动电路用于通过第一辅助电路驱动第一开关管开通和关断；

2.根据权利要求1所述的一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，其特征在于，所述第二RCD网络和第一RCD网络均为RCD网络结构，该RCD网络结构包括晶体管、发射结电阻和二极管，所述晶体管的基极、发射结电阻和晶体管的发射结依次连接，所述二极管并联在所述发射结电阻的两端，所述发射结电阻的两端接入所述第一辅助电路。

3.根据权利要求2所述的一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，其特征在于，所述RCD网络结构还包括基极电阻，所述晶体管的基极、基极电阻、发射结电阻和晶体管的发射结依次连接。

4.根据权利要求3所述的一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，其特征在于，所述晶体管为PNP型三极管。

5.根据权利要求1所述的一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，其特征在于，所述第一开关驱动电路包括驱动电源、开通开关和关断开关，所述驱动电源、开通开关、关断开关和第一关断负压源依次连接构成回路，所述第一串扰电压抑制电容和第二RCD网络与所述关断开关和第一关断负压源并联，所述第一RCD网络并联在关断开关两端。

6.根据权利要求5所述的一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管的开通电压均在17V至19V范围以内，所述第一开关管和第二开关管的关断电压均在-4V至-6V范围以内。

7.根据权利要求5所述的一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，其特征在于，所述驱动电源和输入电压源的电压方向相同，所述第一关断负压源与所述驱动电源的电压方向相反。

8.根据权利要求1所述的一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，其特征在于，所述改进门极驱动电路还包括同步Buck电路，该同步Buck电路并联在第二开关管的两端。

9.根据权利要求8所述的一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，其特征在于，所述同步Buck电路包括整流电感、整流电容和整流电阻，所述整流电感和整流电容相互串联后并联在所述第二开关管的两端，所述整流电阻并联在所述整流电容的两端。

10.根据权利要求1所述的一种抑制SiC—MOSFET桥臂串扰的改进门极驱动电路，其特征在于，所述输入电压源为直流电压源。