CN114614803B - 一种多级式SiC-MOSFET驱动电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多级式SiC‑MOSFET驱动电路及控制方法，包括SiC‑MOSFET、提供驱动电流以开通SiC‑MOSFET工作的一级驱动电路、用于采集SIC‑MOSFET开通过程中的电压动态波形的检测电路、补充驱动电流的二级驱动电路以及二级驱动电路的控制电路；所述控制电路包括依次信号连接的波形整形模块、计数模块和控制模块；所述控制电路包括依次信号连接的波形整形模块、计数模块和控制模块。本发明通过两级驱动电路实现SiC‑MOSFET快速开通，消除开通时的电压尖峰，减小关断时的电压振荡；并获取开通过程中的电压动态参数，进而通过控制模块调节二级驱动电路补充驱动电流的大小，以提供稳定的驱动电压。

Description

一种多级式SiC-MOSFET驱动电路及控制方法

技术领域

本发明涉及第三代宽禁带半导体碳化硅器件的驱动技术领域，具体涉及一种多级式SiC-MOSFET驱动电路及控制方法。

背景技术

电力电子产业未来的发展趋势之一便是使用更高的开关频率以获得更紧密的系统设计，而在高开关频率高功率的应用中，SiC器件优势明显，这就使得SiC-MOSFET在5G基站、工业电源、光伏、充电桩、不间断电源系统以及能源储存等应用场景中的需求不断提升。

SiC(碳化硅)作为第三代半导体，与同类产品相比，SiC在禁带宽度、击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面具有显著优势，满足了现代工业对功率、电压、频率的需求。但是SiC-MOSFET的过快开关速度会引起高di/dt和du/dt，同时由于电路中电感和寄生电阻等参数的存在，使得SiC-MOSFET在开关过程中容易发生电流、电压过冲和震荡，这会产生额外的开关损耗，甚至造成器件损坏。

驱动电路对于功率器件的使用有着重要的作用，设计优良的驱动电路既可以保证功率器件的安全工作。SiC器件与Si器件相比，在材料、结构等方面有所不同，在器件特性上也存在一些差异，因此不能用现有的Si基功率器件的驱动电路来直接驱动SiC基功率器件，后者的驱动电路需要专门设计。

实际应用中，调节SiC-MOSFET开关特性最简单且最常见的方法就是在驱动电路中添加无源器件以实现被动式驱动，被动式驱动电路最大的优点在于其结构简单，成本低廉，但是也存在许多缺点，如不能兼顾SiC-MOSFET开关延迟时间、开关损耗、电流或电压尖峰和EMI。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多级式SiC-MOSFET驱动电路及控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多级式SiC-MOSFET驱动电路，包括SiC-MOSFET、提供驱动电流以开通SiC-MOSFET工作的一级驱动电路、用于采集SIC-MOSFET开通过程中的电压动态波形的检测电路、补充驱动电流的二级驱动电路以及二级驱动电路的控制电路；所述控制电路包括依次信号连接的波形整形模块、计数模块和控制模块；波形整形模块和计数模块通过对电压动态波形进行处理并获取SIC-MOSFET开通过程中的电压动态参数，控制模块基于该电压动态参数调节二级驱动电路补充驱动电流的输入。

进一步地，所述一级驱动电路包括能够对驱动信号进行功率放大并提供泄放回路的推挽电路和充放电回路，并外接有PWM脉冲作为驱动信号。

进一步地，所述推挽电路包括N型MOS管Q1、P型MOS管Q2、电阻R1和R2，所述N型MOS管Q1的漏极接外接电源Vcc1、栅极与电阻R1的一端连接、源极与P型MOS管Q2的漏极连接，所述P型MOS管Q2的漏极与电阻R2的一端连接、源极接地，所述电阻R1的另一端与电阻R2的另一端相接并外接有PWM脉冲；所述充放电回路包括电阻R3、R4和二极管D1，所述电阻R4的一端与MOS管Q1和Q2的中间结点以及电阻R3的一端连接、另一端与SiC-MOSFET的G级以及二级管D1的正极连接，所述电阻R3的另一端与二级管D1的负极连接。

进一步地，所述检测电路包括电感L1、电容C1以及电阻R5，所述电感L1的一端与SiC-MOSFET的S级以及电阻R5的一端连接、另一端与电容C1的负极端连接并接地，所述电阻R5的另一端与电容C1的正极端连接并作为检测电路的输出端。

进一步地，所述波形整形模块包括施密特触发器Z1、电阻R6、晶振U1、电容C2和二输入与门B1；所述施密特触发器Z1的正极输入端与检测电路的输出端连接、负极输入端经电阻R6接地、输出端与二输入与门B1的输入端一连接，二输入与门B1的输入端二与晶振U1的一端连接，所述晶振U1的另一端与电容C2的负极端相接并接地，所述二输入与门B1的输出端作为波形整形模块的输出端并与电容C2的正极端连接。

进一步地，所述计数模块包括比较器Z2、电阻R7和计数器D1，所述比较器Z2的正极输入端与波形整形模块的输出端连接、负极输入端进电阻R7接地，输出端与计数器D1的Inc端连接，所述计数器D1以PWM脉冲信号的低电平作为Rest端复位信号，且能够对矩形波进行上升沿计数，并对PWM脉冲信号单位周期内矩形波的上升沿总数进行保存。

进一步地，所述二级驱动电路包括辅助电源VCC2以及若干个电阻并联形成的电阻网络，所述电源VCC2的正极接入电阻网络的输入端、负极接地，电阻网络中每个电阻均串联有独立开关并由控制模块输出的控制信号控制通断；所述控制模块包括控制器D2，其输入端接收计数模块的计数值后根据预设程序输出控制信号。

一种多级式SiC-MOSFET驱动电路的控制方法，该控制方法是基于上述所述的多级式SiC-MOSFET驱动电路实现的，包括以下步骤：

S1、通过PWM脉冲使一级驱动电路提供驱动电流以开通SiC-MOSFET，并通过二级驱动电路提供补充驱动电流；

S2、通过检测电路将SiC-MOSFET的开关状态以电压波形输出；

S3、电压波形经波形整形模块整形为脉宽相等的矩形波并通过计数器对矩形波进行计数；

S4、同时以PWM脉冲的低电平作为计数器的复位信号，保存PWM脉冲单位周期内矩形波的总数；

S5、控制器接收当前矩形波计数值，输出预设控制信号控制二级驱动电路中各电阻的通断以调节补充驱动电流。

进一步地，步骤S5具体通过以下方法实现：

将PWM脉冲信号单位周期内矩形波的上升沿总数记为A，计数模块接收到的当前上升沿计数值记为B，当B=1时，输出控制信号接通二级驱动电路中的所有电阻；当B=0.4A时，输出控制信号接通二级驱动电路中总电阻值的二分之一；当B=0.8A时，输出控制信号断开二级驱动电路中的所有电阻。

由以上技术方案可知，本发明具有以下技术优势：

1、通过两级驱动电路实现SiC-MOSFET快速开通，消除开通时的电压尖峰，减小关断时的电压振荡，增强电路的驱动能力；

2、通过波形整形模块和计数模块对电压动态波形进行处理以获取SIC-MOSFET开通过程中的电压动态参数，在二级驱动电路引入增强驱动电流的同时通过控制模块调节其电阻网络的总阻值以控制补充电流的开关和大小，提供稳定的驱动电压，进而优化SiC-MOSFET开通阶段的波形，实现SiC-SIC-MOSFET有效驱动。

附图说明

图1为本发明的功能原理框图；

图2为本发明驱动电路的连接示意图；

图3为本发明驱动电路控制方法的步骤流程图；

图4为本发明控制器的程序流程图；

图5为不采用本发明实例SiC-SIC-MOSFET开通过程仿真波形；

图6为采用本发明实例SiC-SIC-MOSFET开通过程仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式做详细的说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1所示，所述多级SiC-MOSFET驱动电路包括SiC-MOSFET、提供驱动电流以开通SiC-MOSFET工作的一级驱动电路、用于采集SIC-MOSFET开通过程中的电压动态波形的检测电路、补充驱动电流的二级驱动电路以及二级驱动电路的控制电路，所述控制电路包括依次连接的波形整形模块、计数模块、控制模块；具体的：如图2所示，本优选实施例所述的一级驱动电路包括能够对驱动信号进行功率放大并提供泄放回路的推挽电路和充放电回路，并外接有PWM脉冲作为驱动信号；所述推挽电路包括N型MOS管Q1、P型MOS管Q2、电阻R1和R2，所述N型MOS管Q1的漏极外接电源Vcc1、栅极与电阻R1的一端连接、源极与P型MOS管Q2的漏极连接，所述P型MOS管Q2的漏极与电阻R2的一端连接、源极接地，所述电阻R1的另一端与电阻R2的另一端相接并外接有PWM脉冲；所述充放电回路包括电阻R3、R4和二极管D1，所述电阻R4的一端与N型MOS管Q1和P型MOS管Q2的中间结点以及电阻R3的一端连接、另一端与SiC-MOSFET的G级以及二级管D1的正极连接，所述电阻R3的另一端与二级管的负极连接；该部分电路为SiC-MOSFET提供常规驱动电流的同时能够抑制SiC-MOSFET关断时的电压振荡。

所述检测电路包括电感L1、电容C1以及电阻R5，所述电感L1的一端与SiC-MOSFET的S级以及电阻R5的一端连接、另一端与电容C1的负极端连接并接地，所述电阻R5的另一端与电容C1的正极端连接并作为检测电路的输出端，所述SiC-MOSFET包括D极、G极和S极且相邻两级之间通过寄生电容相接，在具体的使用中，所述SiC-MOSFET的开关过程会在其电感中产生变化的电流，本优选实施例通过电感L1上电流变化等效SiC-MOSFET的开关状态，进而通过电容C1的电压变化检测电感L1中电流的变化，并将电容C1上的电压波形输出。

所述波形整形模块包括施密特触发器Z1、电阻R6、晶振U1、电容C2和二输入与门B1；所述施密特触发器Z1的正极输入端与检测电路的输出端连接、负极输入端经电阻R6接地、输出端与二输入与门B1的输入端一连接，二输入与门B1的输入端二与晶振U1的一端连接，所述晶振U1的另一端与电容C2的负极端相接并接地，所述二输入与门B1的输出端作为波形整形模块的输出端并与电容C2的正极端连接；为了方便控制电路对二级驱动电路进行控制，本优选实施例通过晶振U1和二输入与门B1将触发器Z1输出的矩形波切割成脉宽相等的窄矩形波，由二输入与门B1的输出端输出；本优选实施例所述的晶振U1采用高频晶振，可以根据需求调整晶振频率，针对不同的SiC-MOSFET切割出不同的脉冲个数，进而精准地控制增强驱动电流的开关和大小。

所述计数模块包括比较器Z2、电阻R7和计数器D1，所述比较器Z2的正极输入端与波形整形模块的输出端连接、负极输入端进电阻R7接地，输出端与计数器D1的Inc端连接，所述计数器D1以PWM脉冲信号的低电平作为Rest端复位信号，且能够对矩形波进行上升沿计数，并对PWM脉冲信号单位周期内矩形波的上升沿总数进行保存。

在实际的应用中，针对不同规格的SiC-MOSFET，电阻网络的总阻值以及并联的电阻数量不同，可根据需要进行选择设置；本优选实施例所述的二级驱动电路包括辅助电源VCC2以及由电阻R8-R15并联形成的电阻网络，所述电源VCC2的正极接入电阻网络的输入端、负极接地，电阻网络中每个电阻均串联有独立开关并由控制模块输出的控制信号控制通断，如图中所示的开关S1-S8；所述控制模块包括控制器D2，其输入端接收计数模块的计数值后根据预设程序输出控制信号。

如图3所示，本优选实施例的工作步骤为：

S1、通过PWM脉冲使一级驱动电路提供驱动电流以开通SiC-MOSFET，并通过二级驱动电路提供补充驱动电流；具体的，一级驱动电路接收到外部PWM脉冲后输出驱动电流到SiC-MOSFET的G极，进而开通SiC-MOSFET；

S2、通过检测电路将SiC-MOSFET的开关状态以电压波形输出；具体的，通过与SiC-MOSFET的S极相接的检测电路检测到SiC-MOSFET的开关状态后，输出检测波形至二级驱动电路的控制电路；

S3、电压波形经波形整形模块整形为脉宽相等的矩形波并通过计数器对矩形波进行计数；具体的，二级驱动电路的控制电路通过波形整形模块将检测波形整形为脉宽相等的窄矩形波，由计数模块对窄矩形波进行上升沿计数；

S4、同时以PWM脉冲的低电平作为计数器的复位信号，保存PWM脉冲单位周期内矩形波的总数；将PWM脉冲信号单位周期内矩形波的上升沿总数记为A，一般的，会在SiC-MOSFET具体使用前不接通二级驱动电路的情况下，通过试验获取该上升沿总计数值；

S5、控制器接收当前矩形波计数值，输出预设控制信号控制二级驱动电路中各电阻的通断以调节补充驱动电流；控制模块根据上升沿总数和当前上升沿计数值通过预设程序输出控制信号，二级驱动电路根据控制信号，改变电阻网络的总电阻值，从而改变增强驱动电流的大小；具体的如图4所示，将计数模块接收到的当前上升沿计数值记为B，当B=1时，输出控制信号闭合二级驱动

电路中开关S1-S8；当B=0.4A时，输出控制信号闭合开关S1-S4、断开开关S5-S8；当B=0.8A时，输出控制信号断开中开关S1-S8。

SIC-MOSFET的栅极驱动过程，可以简单的理解为驱动源对SIC-MOSFET的输入电容(电容Cgs和Cgd）的充放电过程；在具体的使用中，米勒效应会严重增加SIC-MOSFET的开通损耗，使SIC-MOSFET不能很快的进入开关状态，如图5所示，当电容Cgs达到门槛电压之后，SIC-MOSFET就会进入开通状态，但由于米勒效应，其电压Vgs会持续一段时间不再上升，即产生米勒平台，这是由于电容Cgd在SIC-MOSFET刚开通的时候，通过SIC-MOSFET快速放电，然后被驱动电压反向充电，分担了驱动电流，使得电容Cgs上的电压上升变缓，因而出现持续的平台电压。

对于SiC-MOSFET，经对多次实验的计数表明，当其开通过程中达到米勒平台时，计数模块接收到的上升沿计数值约为单位周期内矩形波的上升沿总数的0.8倍；因此本优选实施例在控制模块的预设程序中将B=0.8A对应的控制信号为断开全部开关，使二级驱动电路提供的补充驱动电流最大；同时设定B=0.4A时，接通电阻网络中总阻值的二分之一作为缓冲，从而使电容Cgd能够快速充满电，减小米勒平台的持续时间，进而减小SiC-MOSFET的开通损耗，使SiC-MOSFET能够快速平稳的进入开关状态。

如图6所示，本发明通过两级驱动电路实现SiC-MOSFET快速开通，消除开通时的电压尖峰，减小关断时的电压振荡，增强电路的驱动能力；通过二级驱动电路引入增强驱动电流的同时通过控制其电阻网络的总阻值以控制补充电流的开关和大小，提供稳定的驱动电压，进而优化SiC-MOSFET开通阶段的波形，实现SiC-SIC-MOSFET有效驱动。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多级式SiC-MOSFET驱动电路，包括SiC-MOSFET，其特征在于，还包括提供驱动电流以开通SiC-MOSFET工作的一级驱动电路、用于采集SIC-MOSFET开通过程中的电压动态波形的检测电路、补充驱动电流的二级驱动电路以及二级驱动电路的控制电路；

所述控制电路包括依次信号连接的波形整形模块、计数模块和控制模块，所述波形整形模块和计数模块用于对电压动态波形进行处理并获取SIC-MOSFET开通过程中的电压动态参数，所述控制模块基于该电压动态参数调节二级驱动电路补充驱动电流的输入；

所述波形整形模块包括施密特触发器Z1、电阻R6、晶振U1、电容C2和二输入与门B1；所述施密特触发器Z1的正极输入端与检测电路的输出端连接、负极输入端经电阻R6接地、输出端与二输入与门B1的输入端一连接，二输入与门B1的输入端二与晶振U1的一端连接，所述晶振U1的另一端与电容C2的负极端相接并接地，所述二输入与门B1的输出端作为波形整形模块的输出端并与电容C2的正极端连接；

所述计数模块包括比较器Z2、电阻R7和计数器D1，所述比较器Z2的正极输入端与波形整形模块的输出端连接、负极输入端进电阻R7接地，输出端与计数器D1的Inc端连接，所述计数器D1以PWM脉冲信号的低电平作为Rest端复位信号，且能够对矩形波进行上升沿计数，并对PWM脉冲信号单位周期内矩形波的上升沿总数进行保存；

所述控制模块包括控制器D2，其输入端接收计数模块的计数值后根据预设程序输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的多级式SiC-MOSFET驱动电路，其特征在于，所述一级驱动电路包括能够对驱动信号进行功率放大并提供泄放回路的推挽电路和充放电回路，并外接有PWM脉冲作为驱动信号。

3.根据权利要求2所述的多级式SiC-MOSFET驱动电路，其特征在于，所述推挽电路包括N型MOS管Q1、P型MOS管Q2、电阻R1和R2，所述N型MOS管Q1的漏极接外接电源Vcc1、栅极与电阻R1的一端连接、源极与P型MOS管Q2的漏极连接，所述P型MOS管Q2的漏极与电阻R2的一端连接、源极接地，所述电阻R1的另一端与电阻R2的另一端相接并外接有PWM脉冲；

所述充放电回路包括电阻R3、R4和二极管D1，所述电阻R4的一端与MOS管Q1和Q2的中间结点以及电阻R3的一端连接、另一端与SiC-MOSFET的G级以及二级管D1的正极连接，所述电阻R3的另一端与二级管D1的负极连接。

4.根据权利要求1所述的多级式SiC-MOSFET驱动电路，其特征在于，所述检测电路包括电感L1、电容C1以及电阻R5，所述电感L1的一端与SiC-MOSFET的S级以及电阻R5的一端连接、另一端与电容C1的负极端连接并接地，所述电阻R5的另一端与电容C1的正极端连接并作为检测电路的输出端。

5.根据权利要求1所述的多级式SiC-MOSFET驱动电路，其特征在于，所述二级驱动电路包括辅助电源Vcc2以及若干个电阻并联形成的电阻网络，所述电源Vcc2的正极接入电阻网络的输入端、负极接地，电阻网络中每个电阻均串联有独立开关并由控制模块输出的控制信号控制通断。

6.一种多级式SiC-MOSFET驱动电路的控制方法，该控制方法是基于上述权利要求1-5任一所述的多级式SiC-MOSFET驱动电路实现的，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过PWM脉冲使一级驱动电路提供驱动电流以开通SiC-MOSFET，并通过二级驱动电路提供补充驱动电流；

S2、通过检测电路将SiC-MOSFET的开关状态以电压波形输出；

S3、电压波形经波形整形模块整形为脉宽相等的矩形波并通过计数器对矩形波进行计数；

S4、同时以PWM脉冲的低电平作为计数器的复位信号，保存PWM脉冲单位周期内矩形波的总数；

S5、控制器接收当前矩形波计数值，输出预设控制信号控制二级驱动电路中各电阻的通断以调节补充驱动电流。

7.根据权利要求6所述的一种多级式SiC-MOSFET驱动电路的控制方法，其特征在于，步骤S5具体通过以下方法实现：

将PWM脉冲信号单位周期内矩形波的上升沿总数记为A，计数模块接收到的当前上升沿计数值记为B，当B=1时，输出控制信号接通二级驱动电路中的所有电阻；当B=0.4A时，输出控制信号接通二级驱动电路中总电阻值的二分之一；当B=0.8A时，输出控制信号断开二级驱动电路中的所有电阻。

Images