CN114257068A - 一种SiC开关管驱动电路及驱动控制方法、开关电源 - Google Patents

一种SiC开关管驱动电路及驱动控制方法、开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SiC开关管驱动电路及驱动控制方法、开关电源，该驱动电路包括驱动端、接地端、驱动电阻R1、开关电容C1和开关管Q1、Q2、Q3、Q4，开关管Q1的第一端连接充电电源，开关管Q1的第二端分别与开关电容C1的第一端和开关管Q2的第一端连接，开关电容C1的第二端分别与开关管Q3的第二端与开关管Q4的第一端连接，开关管Q3的第一端分别与驱动电阻R1的第二端和SiC开关管的控制端连接，开关管Q2的第二端、开关管Q4的第二端和SiC开关管的第二端分别与接地端连接。本发明通过在开关电容上产生反向电压，可快速抵消SiC开关管的寄生电容上储能，从而加速驱动电压的下降过程，降低SiC开关管的关断时间以及浪涌电压。

Description

一种SiC开关管驱动电路及驱动控制方法、开关电源
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种SiC开关管驱动电路及驱动控制方法、开关电源。
背景技术
相比于传统Si MOSFET，宽禁带半导体SiC MOSFET具有开关频率高，内阻小，耐高压、耐高温等优点，然而它也有诸如输入电容大，具有较高阈值电压和浪涌电压等缺点，也正是由于这些缺点，导致SiC MOSFET的驱动电路比传统Si MOSFET更加难以设计，因此，SiCMOSFET驱动电路的设计就显得尤为重要。
传统驱动电路常采用栅极电阻来控制开关时间和浪涌电压，由于SiC MOSFET输入电容较大，采用小的栅极驱动那个电阻可提高开关速度，但于此同时带来大的浪涌电压。采用较大的栅极驱动电阻虽可以降低浪涌电压，但开关速度也会因此而降低。因此开关速度和浪涌电压无法做到兼顾。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供了一种能够提高开关速度同时降低浪涌电压的SiC开关管驱动电路。
本发明的第二目的在于提供一种SiC开关管的驱动控制方法。
本发明的第三目的在于提供一种开关电源。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种SiC开关管驱动电路，包括驱动端、接地端、驱动电阻R1、开关电容C1和开关管Q1、Q2、Q3、Q4，所述驱动端用于接收驱动所述SiC开关管的驱动信号，所述驱动端与所述驱动电阻R1的第一端连接，所述驱动电阻R1的第二端与所述SiC开关管的控制端连接，所述SiC开关管的第一端连接供电电源；其中，所述开关管Q1的第一端连接充电电源，所述开关管Q1的第二端分别与所述开关电容C1的第一端和所述开关管Q2的第一端连接，所述开关电容C1的第二端分别与所述开关管Q3的第二端与所述开关管Q4的第一端连接，所述开关管Q3的第一端分别与所述驱动电阻R1的第二端和所述SiC开关管的控制端连接，所述开关管Q2的第二端、所述开关管Q4的第二端和所述SiC开关管的第二端分别与所述接地端连接。
进一步，所述SiC开关管为SiC MOSFET开关管，所述SiC MOSFET开关管的源极与所述供电电源连接，所述SiC MOSFET开关管的漏极与所述接地端连接，所述SiC MOSFET开关管的栅极与所述驱动端连接，所述驱动端接收高电平驱动信号时SiC MOSFET开关管导通。
进一步，所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4为Si MOSFET开关管，所述开关管Q1和开关管Q2互补导通，所述开关管Q3和开关管Q4互补导通。
本发明的第二方面提供一种SiC开关管驱动电路的驱动控制方法，所述SiC开关管驱动电路为第一方面所述的SiC开关管驱动电路，所述驱动控制方法包括：
控制SiC开关管、开关管Q1、Q4导通，通过所述直流电源对所述开关电容C1充电；
控制SiC开关管、开关管Q1、Q4关断，控制开关管Q2、Q3导通，通过开关电容C1充电电压抵消所述SiC开关管的寄生电容上储能。
进一步，该驱动控制方法还包括：
控制开关管Q1、Q4导通，控制开关管Q2、Q3关断，通过所述直流电源对所述开关电容C1充电；
在所述SiC开关管的电压为0V时，控制所述SiC开关管导通。
本发明的第三方面提供一种开关电源，包括第一方面所述的SiC开关管驱动电路。
本发明通过在开关电容上产生反向电压，可快速抵消SiC开关管的寄生电容上储能，从而加速驱动电压的下降过程，降低SiC开关管的关断时间以及浪涌电压，提高SiC开关速度，同时可以避免SiC开关管关断时浪涌电压过大而损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的SiC开关管驱动电路的结构示意图；
图2为本发明一实施例的SiC开关管驱动电路中开关管驱动波形以及SiC驱动波形示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明的第一方面提供一种SiC开关管驱动电路，包括驱动端、接地端、驱动电阻R1、开关电容C1和开关管Q1、Q2、Q3、Q4，所述驱动端用于接收驱动所述SiC开关管的驱动信号ψ，所述驱动端与所述驱动电阻R1的第一端连接，所述驱动电阻R1的第二端与所述SiC开关管的控制端连接，所述SiC开关管的第一端连接供电电源；其中，所述开关管Q1的第一端连接充电电源Vg，所述开关管Q1的第二端分别与所述开关电容C1的第一端和所述开关管Q2的第一端连接，所述开关电容C1的第二端分别与所述开关管Q3的第二端与所述开关管Q4的第一端连接，所述开关管Q3的第一端分别与所述驱动电阻R1的第二端和所述SiC开关管的控制端连接，所述开关管Q2的第二端、所述开关管Q4的第二端和所述SiC开关管的第二端分别与所述接地端连接。
在本发明一实施例中，所述SiC开关管为SiC MOSFET开关管，所述SiC MOSFET开关管的源极与所述供电电源连接，所述SiC MOSFET开关管的漏极与所述接地端连接，所述SiCMOSFET开关管的栅极与所述驱动端连接，所述驱动端接收高电平驱动信号时SiC MOSFET开关管导通，驱动端接收低电平驱动信号时SiC MOSFET开关管关断。
在本发明一实施例中，所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4为Si MOSFET开关管，所述开关管Q1和开关管Q2互补导通，所述开关管Q3和开关管Q4互补导通。开关管Q1导通时，开关管Q2关断；开关管Q1关断时，开关管Q1导通。开关管Q3导通时，开关管Q4关断；开关管Q3关断时，开关管Q4导通。开关管Q1、Q2、Q3、Q4的导通或关断由各自控制端接收的驱动控制信号ψ1、ψ2、ψ3、ψ4进行控制。需要说明的是，开关管Q1、Q2、Q3、Q4类型可以根据实际需要做相应选择，开关管Q1、Q2、Q3、Q4可以为P型Si MOSFET开关管，也可以为N型Si MOSFET开关管。开关管Q1、Q2、Q3、Q4为P型Si MOSFET开关管时，驱动控制信号ψ1、ψ2、ψ3、ψ4为高电平，开关管Q1、Q2、Q3、Q4导通；驱动控制信号ψ1、ψ2、ψ3、ψ4为低电平，开关管Q1、Q2、Q3、Q4关断。相反地，开关管Q1、Q2、Q3、Q4为N型Si MOSFET开关管时，驱动控制信号ψ1、ψ2、ψ3、ψ4为低电平，开关管Q1、Q2、Q3、Q4导通；驱动控制信号ψ1、ψ2、ψ3、ψ4为高电平，开关管Q1、Q2、Q3、Q4关断。
为使本领域技术人员更清楚地理解本发明SiC开关管驱动电路，结合图2的控制波形图将其工作原理做如下说明：
T0-T1时段：SiC MOSFET开关管控制端接收的驱动信号ψ为高电平，SiC MOSFET处于导通状态，开关管Q1控制端接收的驱动信号ψ1和开关管Q4控制端接收的驱动信号ψ4为高电平，开关管Q1和开关管Q4导通，直流电源Vg对开关电容C1进行充电。
T1-T2时段：在T1时刻，SiC MOSFET的驱动信号ψ变为低电平，开始关断，与此同时，开关管Q1和Q4的驱动信号为低电平，开关管Q1、Q4关断，Q2和Q3导通，开关电容C1与SiCMOSFET的栅极-源极串联，开关电容抽走栅极-源极之间电容电荷，SiC MOSFET的栅极-源极电压Vgs下降为负压。因此当SIC MOSFET接收到低电平信号时，SiC MOSFET开关管实现负压关断。负压关断能够实现可靠关断SiC MOSFET开关管，避免SiC MOSFET开关管受元件老化以及来自电路其他元器件的干扰而被误触发，更能够有效的提高SiC MOSFET的关断速度，有助于提高SiC开关管的开关频率，使其能安全可靠的应用大功率开关电源中，并能降低SiC开关管的开关损耗。
T2-T3时段：在T2时刻，开关管Q1和Q4的驱动信号变为高电平，开关管Q1和Q4导通，Q2和Q3关断，直流电源Vg对开关电容C1进行充电，SiC MOSFET的栅极-源极电压Vgs升为0V。
T3-T4时段：在T3时刻，SiC MOSFET的驱动信号ψ变为为高电平，SiC MOSFET开始导通，开关管Q1和Q4导通，Q2和Q3关断，直流电源Vg继续对开关电容C1进行充电。
本发明的第二方面提供一种SiC开关管驱动电路的驱动控制方法，所述驱动控制方法包括：
控制SiC开关管、开关管Q1、Q4导通，通过所述直流电源对所述开关电容C1充电；
控制SiC开关管、开关管Q1、Q4关断，控制开关管Q2、Q3导通，通过开关电容C1充电电压抵消所述SiC开关管的寄生电容上储能。
在本发明的一实施例中，该驱动控制方法还包括：
控制开关管Q1、Q4导通，控制开关管Q2、Q3关断，通过所述直流电源对所述开关电容C1充电；
在所述SiC开关管的电压为0V时，控制所述SiC开关管导通。
本发明的第三方面提供一种开关电源，包括第一方面所述的SiC开关管驱动电路。本发明的开关电源中采用SiC开关管驱动电路，具有开关频率高，内阻小，耐高压、耐高温等优点。通过开关电容产生的反向电压可以抵消SiC开关管的寄生电容上储能，实现SiC开关管负压关断，能够有效提高SiC开关管的关断速度，降低SiC开关管频繁开关所产生的开关损耗，降低SiC开关管浪涌电压，避免SiC开关管频繁开关致使开关电源容易损坏的问题。
本发明在SiC开关管驱动电路中引入开关电容单元，通过在SiC MOSFET的栅极-源极之间并联开关电容，且开关电容电压可以独立控制，在SiC MOSFET关断时，开关电容产生一个与栅极-源极相反的负压，可快速抽走SiC MOSFET的栅极-源极的电荷，从而加速驱动电压的下降过程，减小SiC MOSFETs的关断时间，并且减小关断时的浪涌电压。提高SiC开关速度，同时可以避免SiC开关管关断时浪涌电压过大而损坏。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种SiC开关管驱动电路，其特征在于，包括驱动端、接地端、驱动电阻R1、开关电容C1和开关管Q1、Q2、Q3、Q4，所述驱动端用于接收驱动所述SiC开关管的驱动信号，所述驱动端与所述驱动电阻R1的第一端连接，所述驱动电阻R1的第二端与所述SiC开关管的控制端连接，所述SiC开关管的第一端连接供电电源；其中，所述开关管Q1的第一端连接充电电源，所述开关管Q1的第二端分别与所述开关电容C1的第一端和所述开关管Q2的第一端连接，所述开关电容C1的第二端分别与所述开关管Q3的第二端与所述开关管Q4的第一端连接，所述开关管Q3的第一端分别与所述驱动电阻R1的第二端和所述SiC开关管的控制端连接，所述开关管Q2的第二端、所述开关管Q4的第二端和所述SiC开关管的第二端分别与所述接地端连接。
2.如权利要求1所述的SiC开关管驱动电路，其特征在于，所述SiC开关管为SiC MOSFET开关管，所述SiC MOSFET开关管的源极与所述供电电源连接，所述SiC MOSFET开关管的漏极与所述接地端连接，所述SiC MOSFET开关管的栅极与所述驱动端连接，所述驱动端接收高电平驱动信号时SiC MOSFET开关管导通。
3.如权利要求1所述的SiC开关管驱动电路，其特征在于，所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4为SiMOSFET开关管，所述开关管Q1和开关管Q2互补导通，所述开关管Q3和开关管Q4互补导通。
4.一种SiC开关管驱动电路的驱动控制方法，其特征在于，所述SiC开关管驱动电路为如权利要求1-3任一项所述的SiC开关管驱动电路，所述驱动控制方法包括：
控制SiC开关管、开关管Q1、Q4导通，通过所述直流电源对所述开关电容C1充电；
控制SiC开关管、开关管Q1、Q4关断，控制开关管Q2、Q3导通，通过开关电容C1充电电压抵消所述SiC开关管的寄生电容上储能。
5.如权利要求4所述的驱动控制方法，其特征在于，该驱动控制方法还包括：
控制开关管Q1、Q4导通，控制开关管Q2、Q3关断，通过所述直流电源对所述开关电容C1充电；
在所述SiC开关管的电压为0V时，控制所述SiC开关管导通。
6.一种开关电源，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的SiC开关管驱动电路。
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