CN114024432B - 一种SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路 - Google Patents

一种SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子驱动技术领域，公开了一种SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路，包括上桥臂的基本驱动电路和下桥臂的基本驱动电路，在下桥臂的基本驱动电路中引入p‑mos管、电阻R3和电阻R4，电阻R3的左端与p‑mos管P1的栅极相连，电阻R3的右端同时与p‑mos管P1源极、肖特基二极管VD阴极和电阻R4相连，肖特基二极管VD阳极与p‑mos管P1漏极相连；电阻R5、n‑mos管M1和n‑mos管M2构成电流镜结构，M1和M2共栅共源，电流镜共栅端与p‑mos管P1漏极相连。本发明利用了去耦电容法和有源抑制法的优势，有效抑制了串扰，使得栅驱动电路能稳定正常工作；并且，本发明没有使用额外控制源去控制电流镜，使用去耦电容不会影响功率管开关速度。

Description

一种SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路
技术领域
本发明属于电力电子驱动技术领域，涉及一种SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路，主要用于桥式驱动电路中。
背景技术
与SiMOSFET、SiIGBT相比，SiC MOSFET通态电阻最小、开通/关断时间最短，此外SiC MOSFET的输入电容小，因此开关频率更高。SiC MOSFET在功率电子方面的应用十分广泛，它的出现对功率电子的发展具有重大意义。在过去的十年中，SiC MOSFET在高效、高开关频率和高温应用中已经逐渐代替传统SiMOSFET而成为功率电子中最具潜力的晶体管。
由于MOS管存在寄生参数，随着开关速度的提高，寄生电容和电感对驱动电路的影响变得不可忽略。MOS管栅极驱动电路可以等效看成RLC串联电路，不管是电流还是电压的发生改变都会引起栅极电位的变化，从而影响MOS管的工作状态。因此，对MOS管栅极驱动电路可靠性设计提出更高的要求。在大电压条件下，当开关管切换开关状态时，互补开关管的漏端会承受很大的dv/dt,从而通过栅漏电容给MOS管的栅源电容充电，导致栅极承受很大的di/dt，由于出现大的di/dt，栅源电容被充电，导致栅极电位抬升，出现正电压尖峰。由于SiC MOSFET的阈值电压比较低，当正电压尖峰超过阈值电压时甚至会导致器件误开启，影响功率转换电路的正常工作。所以在SiC MOSFET桥式栅驱动电路中，应特别注意串扰现象带来的影响，有必要分析串扰产生的原因以及开关回路中各个寄生参数对串扰现象的影响。这对栅驱动电路的设计优化具有一定的指导意义。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路，包括上桥臂的基本驱动电路和下桥臂的基本驱动电路，在下桥臂的基本驱动电路中引入p-mos管、电阻R3和电阻R4，电阻R3的左端与p-mos管P1的栅极相连，电阻R3的右端同时与p-mos管P1源极、肖特基二极管VD阴极和电阻R4相连，肖特基二极管VD阳极与p-mos管P1漏极相连；电阻R5、n-mos管M1和n-mos管M2构成电流镜结构，M1和M2共栅共源，电流镜共栅端与p-mos管P1漏极相连。
进一步地，当正向串扰电压出现时，利用产生di/dt反向流经栅极电阻，产生一个反向正压，使p-mos管导通，将电流镜引入驱动电路，吸收di/dt的电流，使栅极电位维持在负压关断的电位；当反向的di/dt消失时，外加p-mos管不满足导通条件，自行关断；加入肖特基二极管VD反并联于p-mos两端，能够加快p-mos管关断速度；当出现反向串扰电压时，利用去耦电容消除寄生PCB电感产生的感应电压，并将源极电感钳位，使功率管关断状态时处于负压不变。
进一步地，所述上桥臂的基本驱动电路包括供电电源SH1和供电电源SH2，所述供电电源SH1正极与受控开关S1连接，所述供电电源SH2负极与受控开关S2连接，供电电源SH1和供电电源SH2构成推挽结构，推挽结构的输出端与栅极电阻R1一端相连，栅极电阻R1的另一端与QH栅极相连，栅源电容C1并联于QH栅源极；解耦电容C2一端与受控开关S2相连，解耦电容C2另一端与QH源极相连，所述QH源极与SH1负极和SH2正极相连构成回路。
进一步地，所述下桥臂的基本驱动电路还包括供电电源SL1和供电电源SL2，所述供电电源SL1正极与受控开关S3连接，供电电源SL2负极与受控开关S4连接，受控开关S3与受控开关S4构成推挽结构，推挽结构的输出端顺次与电阻R2、电阻R3和电阻R4相连，电阻R4的右端与QL栅极相连；电流镜共源端与SL2负极相连，M1漏极与电阻R5的下端相连，电阻R5的上端与SL2正极相连，M2漏极与电阻R4右端相连接于QL栅极；受控开关S4的下端与解耦电容C3的左端相连，解耦电容C3的右端与QL源极相连；QL源极与SL1负极和SL2正极相连构成回路。
进一步地，所述上桥臂的基本驱动电路还包括PCB连接线寄生电感Lpcb1，所述PCB连接线寄生电感Lpcb1的一端同时与解耦电容C2另一端和QH源极相连，PCB连接线寄生电感Lpcb1的另一端同时连接供电电源SH1的负极和供电电源SH2的正极。
进一步地，所述供电电源SH1为18V，供电电源SH2为5V，为功率管提供负压关断。
进一步地，所述下桥臂的基本驱动电路还包括PCB连接线寄生电感Lpcb2，所述PCB连接线寄生电感Lpcb2的一端同时与解耦电容C3的右端和QL源极相连，PCB连接线寄生电感Lpcb2的另一端同时连接供电电源SL1的负极和供电电源SL2的正极。
进一步地，所述供电电源SL1为18V，供电电源SL2为5V，为功率管提供负压关断。
所述SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路，还包括直流电源，所述直流电源电压VDC为800V。
与现有技术相比，本发明对已有的SiC MOSFET栅驱动电路进行结构改造，提出一种SiC MOSFET栅驱动电路，利用了去耦电容法和有源抑制法的优势，有效抑制了串扰，使得栅驱动电路能稳定正常工作；并且，本发明没有使用额外控制源去控制电流镜，使用去耦电容不会影响功率管开关速度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是实施例1SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路的整体结构示意图；
图2是实施例1电路的开关波形(“栅极电压Vg-时间t”特性曲线)；
图3是实施例1电路将正压尖峰抑制在-3V左右，负压尖峰抑制在-5.6V左右时的震荡频率和震荡幅值示图；
图4传统驱动电路图；
图5是传统驱动电路开关波形；
图6和图7均为传统电路在正压尖峰到来时的震荡已经大于-10V示图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路，包括上桥臂的基本驱动电路和下桥臂的基本驱动电路，所述上桥臂的基本驱动电路包括供电电源SH1和供电电源SH2，所述供电电源SH1正极与受控开关S1连接，所述供电电源SH2负极与受控开关S2连接，供电电源SH1和供电电源SH2构成推挽结构，推挽结构的输出端与栅极电阻R1一端相连，栅极电阻R1的另一端与QH栅极相连，栅源电容C1并联于QH栅源极；解耦电容C2一端与受控开关S2相连，解耦电容C2另一端与QH源极相连，所述QH源极与SH1负极和SH2正极相连构成回路；
所述下桥臂的基本驱动电路包括供电电源SL1、供电电源SL2和电阻R5，所述供电电源SL1正极与受控开关S3连接，供电电源SL2负极与受控开关S4连接，受控开关S3与受控开关S4构成推挽结构，推挽结构的输出端顺次与电阻R2、电阻R3和电阻R4相连，具体地，推挽结构的输出端与电阻R2左端相连，电阻R2的右端与电阻R3的左端相连，电阻R3的右端与电阻R4左端相连，电阻R4的右端与QL栅极相连；电阻R3的左端与p-mos管P1的栅极相连，电阻R3的右端同时与p-mos管P1源极和肖特基二极管VD阴极相连，肖特基二极管VD阳极与p-mos管P1漏极相连；电阻R5、n-mos管M1和n-mos管M2构成电流镜结构，M1和M2共栅共源，电流镜共栅端与p-mos管P1漏极相连，电流镜共源端与SL2负极相连，M1漏极与电阻R5的下端相连，电阻R5的上端与SL2正极相连，M2漏极与电阻R4右端相连接于QL栅极；受控开关S4的下端与解耦电容C3的左端相连，解耦电容C3的右端与QL源极相连；QL源极与SL1负极和SL2正极相连构成回路。
进一步地，所述上桥臂的基本驱动电路还包括PCB连接线寄生电感Lpcb1，所述PCB连接线寄生电感Lpcb1的一端同时与解耦电容C2另一端和QH源极相连，PCB连接线寄生电感Lpcb1的另一端同时连接供电电源SH1的负极和供电电源SH2的正极。
进一步地，所述供电电源SH1为18V，供电电源SH2为5V，为功率管提供负压关断。
进一步地，所述下桥臂的基本驱动电路还包括PCB连接线寄生电感Lpcb2，所述PCB连接线寄生电感Lpcb2的一端同时与解耦电容C3的右端和QL源极相连，PCB连接线寄生电感Lpcb2的另一端同时连接供电电源SL1的负极和供电电源SL2的正极。
进一步地，所述供电电源SL1为18V，供电电源SL2为5V，为功率管提供负压关断。
所述SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路，还包括直流电源，所述直流电源电压VDC为800V。
当正向串扰电压出现时，利用产生di/dt反向流经栅极电阻，产生一个反向正压，使p-mos管导通，将电流镜引入驱动电路，吸收di/dt的电流，使栅极电位维持在负压关断的电位；当反向的di/dt消失时，外加p-mos管不满足导通条件，自行关断；加入肖特基二极管VD反并联于p-mos两端，能够加快p-mos管关断速度，使此驱动电路适用于更高频率的驱动；当出现反向串扰电压时，利用去耦电容消除寄生PCB电感产生的感应电压，并将源极电感钳位，使功率管关断状态时处于负压不变。
从图2～7可以看出，本发明将正压尖峰抑制在-3V左右，负压尖峰抑制在-5.6V左右，并且震荡频率和震荡幅值不会过大；传统驱动在正压尖峰到来时的震荡已经大于-10V，会影响功率管的使用寿命。如果取消负压关断，降低震荡的负压，又有可能存在误导通的情况。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路，其特征在于，包括上桥臂的基本驱动电路和下桥臂的基本驱动电路，在下桥臂的基本驱动电路中引入p-mos管、电阻R3和电阻R4，电阻R3的左端与p-mos管P1的栅极相连，电阻R3的右端同时与p-mos管P1源极、肖特基二极管VD阴极和电阻R4相连，肖特基二极管VD阳极与p-mos管P1漏极相连；电阻R5、n-mos管M1和n-mos管M2构成电流镜结构，M1和M2共栅共源，电流镜共栅端与p-mos管P1漏极相连；
当正向串扰电压出现时，利用产生di/dt反向流经栅极电阻，产生一个反向正压，使p-mos管导通，将电流镜引入驱动电路，吸收di/dt的电流，使栅极电位维持在负压关断的电位；当反向的di/dt消失时，外加p-mos管不满足导通条件，自行关断；加入肖特基二极管VD反并联于p-mos两端，能够加快p-mos管关断速度；当出现反向串扰电压时，利用去耦电容消除寄生PCB电感产生的感应电压，并将源极电感钳位，使功率管关断状态时处于负压不变；所述上桥臂的基本驱动电路包括供电电源SH1和供电电源SH2，所述供电电源SH1正极与受控开关S1连接，所述供电电源SH2负极与受控开关S2连接，供电电源SH1和供电电源SH2构成推挽结构，推挽结构的输出端与栅极电阻R1一端相连，栅极电阻R1的另一端与QH栅极相连，栅源电容C1并联于QH栅源极；解耦电容C2一端与受控开关S2相连，解耦电容C2另一端与QH源极相连，所述QH源极与SH1负极和SH2正极相连构成回路；所述下桥臂的基本驱动电路还包括供电电源SL1和供电电源SL2，所述供电电源SL1正极与受控开关S3连接，供电电源SL2负极与受控开关S4连接，受控开关S3与受控开关S4构成推挽结构，推挽结构的输出端顺次与电阻R2、电阻R3和电阻R4相连，电阻R4的右端与QL栅极相连；电流镜共源端与SL2负极相连，M1漏极与电阻R5的下端相连，电阻R5的上端与SL2正极相连，M2漏极与电阻R4右端相连接于QL栅极；受控开关S4的下端与解耦电容C3的左端相连，解耦电容C3的右端与QL源极相连；QL源极与SL1负极和SL2正极相连构成回路。
2.根据权利要求1所述SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路，其特征在于，所述上桥臂的基本驱动电路还包括PCB连接线寄生电感Lpcb1，所述PCB连接线寄生电感Lpcb1的一端同时与解耦电容C2另一端和QH源极相连，PCB连接线寄生电感Lpcb1的另一端同时连接供电电源SH1的负极和供电电源SH2的正极。
3.根据权利要求1所述SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路，其特征在于，所述供电电源SH1为18V，所述供电电源SH2为5V，为功率管提供负压关断。
4.根据权利要求1所述SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路，其特征在于，所述下桥臂的基本驱动电路还包括PCB连接线寄生电感Lpcb2，所述PCB连接线寄生电感Lpcb2的一端同时与解耦电容C3的右端和QL源极相连，PCB连接线寄生电感Lpcb2的另一端同时连接供电电源SL1的负极和供电电源SL2的正极。
5.根据权利要求1所述SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路，其特征在于，所述供电电源SL1为18V，所述供电电源SL2为5V，为功率管提供负压关断。
6.根据权利要求1所述SiC MOSFET功率器件的栅极串扰抑制电路，其特征在于，还包括直流电源，所述直流电源电压VDC为800V。
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