CN114337201A - 一种抑制SiC MOSFET尖峰及串扰的驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种抑制SiC MOSFET尖峰及串扰的驱动电路，连接于SiC MOSFET驱动电路中，驱动电路包括上下桥臂，下桥臂的第一正向、第一负向供电电源之间连接电压图腾柱结构电路，电压图腾柱结构电路的输出端连接驱动电阻电路和负压关断电压上拉电路的输入端，驱动电阻电路的输出端连接电流抽取电路和电流注入电路的输入端，负压关断电压上拉电路的输出端连接下桥臂SiC MOSFET的栅极相连；上桥臂除无负压关断电压上拉电路外，与下桥臂对称设置。本发明能够充分发挥SiC MOSFET高开关速度，低损耗的性能优势，且在实现抑制开通电流、关断电压尖峰的同时抑制了桥臂串扰负压关断带来的附加损耗。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术与电工技术领域，设计一种适合于SiC MOSFET的驱动电路，特别设计一种抑制SiC MOSFET尖峰及串扰的驱动电路。
背景技术
与硅基功率器件相比，碳化硅(silicon carbide，SiC)基器件具有开关速度更快、导通损耗更低等优点，将越来越广泛的应用于高效高功率密度场合，例如光伏逆变器、电动汽车和风力发电等领域。但是，SiC基器件的高开关速度所引起的大dv/dt和di/dt，以及器件封装和应用回路中存在的寄生电感、电容等参数，会使器件在开关过程中发生电流、电压过冲和振荡，这不仅会增加器件的开关损耗和加剧电磁干扰，还可能会导致器件误导通，降低其可靠性，甚至损坏器件。
且与Si器件相比，SiC MOSFET的栅极电压极限与栅极阈值电压都相对较低，栅源电压很容易受到漏源电压变化率的影响而产生振荡，特别是在桥臂电路中，上、下管之间会产生串扰，进而引发直通问题，因此SiC MOSFET的驱动电路需要具有串扰电压抑制功能，以保证器件可靠稳定地工作。
目前文献中针对SiC MOSFET桥臂电路驱动的电流电压尖峰问题以及串扰问题，常用的驱动方法为电阻型、电流型、电压型驱动，电阻型驱动通过改变开关过程中的开通电阻和关断时的关断电阻来实现对电流电压尖峰抑制的问题，电流型通过在开通时抽取，关断时注入电流实现对栅极电流控制从而抑制电流电压尖峰，电压型驱动通过在开通阶段下拉电压，关断时上拉电压从而降低栅源电压变化率以达到抑制电流电压尖峰问题。这些驱动方法都对尖峰问题有一定的抑制效果，但通常驱动电路复杂，成本高，且未对抑制桥臂串扰时所加负压所带来的负面影响进行抑制。本专利提出的目的是为了提出一种电路结构简单，且能同时实现对电流电压尖峰和桥臂串扰问题的抑制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制SiC MOSFET尖峰及串扰的驱动电路，能够对其开通电流尖峰以及电压尖峰进行抑制，并解决传统桥臂串扰抑制电路带来的损耗问题。
本发明为实现上述目的采用了如下的技术方案：
一种抑制SiC MOSFET尖峰及串扰的驱动电路，连接在SiC MOSFET上下桥臂的驱动电路中，SiC MOSFET桥臂电路至少包括上桥臂和下桥臂，桥臂之间通过上桥臂SiC MOSFET与下桥臂SiC MOSFET串联连接构成；所述下桥臂的第一正向供电电源与第一负向供电电源之间连接电压图腾柱结构电路，所述电压图腾柱结构电路的输出端连接驱动电阻电路和负压关断电压上拉电路的输入端，所述驱动电阻电路的输出端连接电流抽取电路和电流注入电路的输入端，所述负压关断电压上拉电路的输出端连接下桥臂SiC MOSFET的栅极相连；所述上桥臂除无负压关断电压上拉电路外，与下桥臂对称设置。
作为优选，驱动电阻电路包括并联的两条支路，两条支路上分别有第一驱动电阻RG,on和第二驱动电阻RG,off，第一驱动电阻RG,on串联第一二极管D1，第二驱动电阻RG,off串联第二二极管D2，且第一驱动电阻支路连接电流抽取电路。
作为优选，电流抽取电路包括电流抽取二极管D3、该二极管的阴极依次连接开通电阻RD1和开通电感LD1，开通电感LD1连接第三开关管M3的漏极，第三开关管M3的栅极连接第三驱动电阻RG1和第一驱动电压源V1，第三开关管M3的源极连接第一续流二极管D5。
作为优选，SiC MOSFET的栅极连接电流注入电路，所述电流注入电路包括电流注入二极管D4其阳极依次连接关断电阻RD2、关断电感LD2、第四开关管M4的漏极，第四开关管M4的源极连接第二续流二极管D6，第四开关管M4的栅极依次连接第四驱动电阻RG2和第二驱动电压源V2。
作为优选，负压关断电压上拉电路包括第一检测电阻R1、第二检测电阻R2和比较器CAMP，延迟电容C1并联在第二检测电阻两端，比较器CAMP正向输入端连接第一检测电阻R1的一端，其低电平给定端连接第一负向供电电源UG,off，其输出端与钳位开关管M1的栅极相连，钳位开关管M1的源极连接钳位二极管D1的阳极。
本发明还公开了一种抑制SiC MOSFET尖峰及串扰的主动驱动电路的控制方法，下管开通时，通过电流抽取电路抽取SiC MOSFET开通栅极电流，以抑制开通电流尖峰；下管关断时，通过电流注入电路向SiC MOSFET栅极注入电流，以抑制关断电压尖峰；下管关断后，通过负压关断电压上拉电路上拉驱动电压至零电平，以抑制串扰抑制带来的损耗。
作为优选，下管开通时，第一驱动电压加在第三开关管栅极，第三开关管开通，电流抽取二极管、开通电阻、开通电感形成导通回路抽取SiC MOSFET开通栅极电流，开通电流尖峰得以抑制；下管关断时，第二驱动电压加在第四开关管栅极，第四开关管开通，电流注入二极管、关断电阻、关断电感形成导通回路向SiC MOSFET栅极注入电流，关断电压尖峰得以抑制；下管关断后，第一检测电阻与第二检测电阻待延迟电容放电结束后直通，第一检测电阻与第二检测电阻连接端电压小于参考参考电压，输出负压导通钳位开关管，使钳位二极管导通，驱动电压被上拉至零电平，串扰抑制带来的损耗增加得以抑制。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)在SiC MOSFET开通时，开启电流抽取电路，减小栅极电流大小，抑制漏极电流变化率，抑制开通电流尖峰大小。
(2)在SiC MOSFET关断时，开启电流注入电路，减小栅极电流大小，抑制漏极电流变化率，抑制关断电压尖峰大小。
(3)在下桥臂关断时，电容开始放电，待放电结束，检测电路直通，比较器满足输出低电平条件，使得钳位电路开通，将下桥臂栅源极钳位在零电平，将不受上桥臂开关阶段影响。
(4)下桥臂钳位时减小栅源电压变化率，减小下桥臂开通时损耗。
附图说明
图1是本发明一个实施例的电流抽取电路结构图。
图2是本发明一个实施例的电流注入电路结构图。
图3是本发明一个实施例的桥臂串扰抑制电路图。
图4为本发明一个实施例的电路图。
图5为本发明一个实施例的上桥臂导通各开关管的波形时序图。
图6为本发明一个实施例的下桥臂导通各开关管的波形时序图。
图7为本发明一个实施例的桥臂串扰抑制钳位开关管及栅极电压波形图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1至图4所示，本发明是关于一种抑制SiC MOSFET尖峰及串扰的主动驱动电路，电路包括连接在下桥臂的第一正向供电电源与下桥臂的第一负向供电电源之间的电压图腾柱结构电路、连接在下桥臂的电压图腾柱结构电路的输出端相连的驱动电阻电路以及负压关断电压上拉电路，驱动电阻电路包括第一驱动电阻、第一二极管和第二驱动电阻、第二二极管，第一驱动电阻支路连接电流抽取电路，电流抽取电路包括电流抽取二极管、开通电阻、开通电感、电流抽取开关管、第三驱动电阻、第一驱动电压源、第一续流二极管，栅极连接电流注入电路，电流注入电路包括电流注入二极管、关断电阻、关断电感、电流注入开关管、第四驱动电阻、第二驱动电压源、第二续流二极管，负压关断电压上拉电路包括第一检测电阻、第二检测电阻、延迟电容、比较器、钳位开关管、钳位二极管，上桥臂除无负压关断电压上拉电路外，其他部分与下桥臂驱动电路结构相同。
如图1所示，以下桥臂为例，电流抽取电路包括电流抽取二极管D3_L，开通电阻RD1_L，开通电感LD1_L，第三开关管M3_L，第三驱动电阻RG1_L，第一续流二极管D5_L，第一驱动电压源V1_L。其中，第三开关管M3_L漏极与开通电感LD1_L一端相连，第三开关管M3_L栅极与第三驱动电阻RG1_L一端相连，第三开关管M3_L源极与第一续流二极管D5_L阳极相连，第三驱动电阻RG1_L另一端与第一驱动电压源V1_L相连。
如图2所示，以下桥臂为例，电流注入电路包括电流注入二极管D4_L，关断电阻RD2_L，关断电感LD2_L，第四开关管M4_L，第四驱动电阻RG2_L，第二续流二极管D6_L，第二驱动电压源V2_L，第四开关管M4_L的漏极与关断电感LD2_L相连，第四开关管M4_L的栅极与关断电阻RD2_L相连，第四开关管M4_L的源极与第二续流二极管D6_L阴极相连，第四驱动电阻RG2_L与第二驱动电压源V2_L相连。
如图3所示，串扰抑制电路包括第一检测电阻R1，第二检测电阻R2，延迟电容C1，比较器CAMP，钳位开关管M1，钳位二极管D1，其中，第一检测电阻R1的另一端与第二检测电阻R2的一端、延迟电容C1的一端及比较器CAMP正向输入端相连，第二检测电阻R2、延迟电容C1、比较器CAMP低电平给定端与第一负向供电电源UG,off相连，比较器CAMP负向输入端与参考供电电源Uref相连，比较器CAMP高电平给定端与第二供电电源U0相连，比较器CAMP的输出端与钳位开关管M1的栅极相连，钳位开关管M1的漏极与钳位二极管D1的阳极相连，钳位开关管D1的阴极与SiC MOSFET的源极相连，钳位二极管D1的阴极与SiC MOSFET的栅极相连。
而在上桥臂中，下标均以H表示，包括有开关管M1_H、M2_H、M3_H、M4_H，二极管D1_H、D2_H、D3_H、D4_H、D5_H、D6_H，外接电阻RG,on_H、RG,off_H、RD1_H、RD2_H、RG1_H、RG2_H，外接电感LD1_H、LD2_H，供电电源UG,on、UG,off，驱动电压源V1_H、V2_H。
本发明的工作原理是：
下管开通时，第一驱动电压V1_L加在第三开关管M3_L栅极，第三开关管M3_L开通，电流抽取二极管D3_L，开通电阻RD1_L，开通电感LD1_L形成导通回路抽取SiC MOSFET开通栅极电流，开通电流尖峰得以抑制；下管关断时，第二驱动电压源V2_L加在第四开关管M4_L栅极，第四开关管M4_L开通，电流注入二极管D4_L，关断电阻RD2_L，关断电感LD2_L形成导通回路向SiCMOSFET栅极注入电流，关断电压尖峰得以抑制；下管关断后，第一检测电阻R1与第二检测电阻R2待延迟电容C1放电结束后直通，第一检测电阻R1与第二检测电阻R2连接端电压小于参考电压Uref，输出负压使得P沟道开关管M1开通，使钳位二极管D1导通，驱动电压被上拉至零电平，串扰抑制带来的损耗增加得以抑制。
如图5所示，在上桥臂开通电流上升阶段给M3_H施加驱动信号，抽取驱动电流，从而抑制漏极电流变化率，抑制开通电流尖峰，在上桥臂关断电压上升阶段给M4_H施加驱动信号，向驱动回路注入电流，从而抑制漏极电流变化率，抑制关断电压尖峰。
如图6所示，在下桥臂开通电流上升阶段给M3_L施加驱动信号，抽取驱动电流，从而抑制漏极电流变化率，抑制开通电流尖峰，在上桥臂关断电压上升阶段给M4_L施加驱动信号，向驱动回路注入电流，从而抑制漏极电流变化率，抑制关断电压尖峰。
如图7所示，下桥臂关断后，待延迟电容C1放电结束后直通，检测电阻连接端电压小于参考电压Uref，输出负压使得P沟道钳位开关管M1开通，使钳位二极管D1导通，驱动电压被上拉至零电平，串扰抑制带来的损耗增加得以抑制。
本发明提出了一种抑制SiC MOSFET尖峰及串扰的主动驱动电路及其控制方法，此种驱动电路可充分发挥SiC MOSFET高速开关的性能优势，在实现抑制电流电压尖峰的同时抑制负压关断抑制桥臂串扰的负面影响，实现低损耗，高速开关。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (7)
1.一种抑制SiC MOSFET尖峰及串扰的驱动电路，所述控制电路连接于SiC MOSFET驱动电路中，其特征在于，SiC MOSFET驱动电路包括上桥臂和下桥臂，桥臂之间通过上桥臂SiCMOSFET与下桥臂SiC MOSFET串联连接构成；所述下桥臂的第一正向供电电源与第一负向供电电源之间连接电压图腾柱结构电路，所述电压图腾柱结构电路的输出端连接驱动电阻电路和负压关断电压上拉电路的输入端，所述驱动电阻电路的输出端连接电流抽取电路和电流注入电路的输入端，所述负压关断电压上拉电路的输出端连接下桥臂SiC MOSFET的栅极相连；所述上桥臂除无负压关断电压上拉电路外，与下桥臂对称设置。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述驱动电阻电路包括并联的两条支路，两条支路上分别有第一驱动电阻RG,on和第二驱动电阻RG,off，第一驱动电阻RG,on串联第一二极管D1，第二驱动电阻RG,off串联第二二极管D2，且第一驱动电阻支路连接电流抽取电路。
3.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述电流抽取电路包括电流抽取二极管D3、该二极管的阴极依次连接开通电阻RD1和开通电感LD1，开通电感LD1连接第三开关管M3的漏极，第三开关管M3的栅极连接第三驱动电阻RG1和第一驱动电压源V1，第三开关管M3的源极连接第一续流二极管D5。
4.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，SiC MOSFET的栅极连接电流注入电路，所述电流注入电路包括电流注入二极管D4其阳极依次连接关断电阻RD2、关断电感LD2、第四开关管M4的漏极，第四开关管M4的源极连接第二续流二极管D6，第四开关管M4的栅极依次连接第四驱动电阻RG2和第二驱动电压源V2。
5.根据权利要求4所述的驱动电路，其特征在于，所述负压关断电压上拉电路包括第一检测电阻R1、第二检测电阻R2和比较器CAMP，延迟电容C1并联在第二检测电阻两端，比较器CAMP正向输入端连接第一检测电阻R1的一端，其低电平给定端连接第一负向供电电源UG,off，其输出端与钳位开关管M1的栅极相连，钳位开关管M1的源极连接钳位二极管D1的阳极。
6.根据权利要求1的抑制SiC MOSFET尖峰及串扰的驱动电路的控制方法，其特征在于：下管开通时，通过电流抽取电路抽取SiC MOSFET开通栅极电流，以抑制开通电流尖峰；下管关断时，通过电流注入电路向SiC MOSFET栅极注入电流，以抑制关断电压尖峰；下管关断后，通过负压关断电压上拉电路上拉驱动电压至零电平，以抑制串扰抑制带来的损耗。
7.根据权利要求6的抑制SiC MOSFET尖峰及串扰的驱动电路的控制方法，其特征在于：下管开通时，第一驱动电压加在第三开关管栅极，第三开关管开通，电流抽取二极管、开通电阻、开通电感形成导通回路抽取SiC MOSFET开通栅极电流，开通电流尖峰得以抑制；下管关断时，第二驱动电压加在第四开关管栅极，第四开关管开通，电流注入二极管、关断电阻、关断电感形成导通回路向SiC MOSFET栅极注入电流，关断电压尖峰得以抑制；下管关断后，第一检测电阻与第二检测电阻待延迟电容放电结束后直通，第一检测电阻与第二检测电阻连接端电压小于参考参考电压，输出负压导通钳位开关管，使钳位二极管导通，驱动电压被上拉至零电平，串扰抑制带来的损耗增加得以抑制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Country or region after: China Address after: No. 29, Qinhuai District, Qinhuai District, Nanjing, Jiangsu Applicant after: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Applicant after: Nanjing Switchgear Co.,Ltd. Address before: No. 29, Qinhuai District, Qinhuai District, Nanjing, Jiangsu Applicant before: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Country or region before: China Applicant before: NANJING SWITCHGEAR FACTORY Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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