CN115313803A - 一种谐振无损驱动电路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种谐振无损驱动电路结构，包括四个辅助开关管S1、S2、S3、S4、谐振电感Lr、一个正电压源VCC和一个负电源VEE，所述辅助开关管S1和辅助开关管S2相互串联，所述辅助开关管S3和辅助开关管S3相互串联，串联后的辅助开关管S1、S2与串联后的辅助开关管S3、S4相互并联，所述谐振电感Lr的一端连接于辅助开关管S1和辅助开关管S2之间，另一端连接于辅助开关管S3和辅助开关管S4之间，所述正电压源VCC连接于辅助开关管S1和辅助开关管S3之间，所述负电源VEE连接于辅助开关管S2和辅助开关管S4之间；辅助开关管S3和辅助开关管S4之间还连接有待驱动器件。

Description

一种谐振无损驱动电路结构
技术领域
本发明涉及半导体器件驱动领域，特别是涉及一种谐振无损驱动电路结构。
背景技术
近年来，以SiC为代表的宽禁带半导体功率器件在大功率电能变换领域获得了广泛的应用。SiC MOSFET可以工作在较高的开关频率下，但是器件的驱动损耗与开关频率成正比关系，在高频应用场合下，SiC MOSFET的驱动损耗明显，导致系统整体损耗增加。
针对SiC MOSFET驱动损耗的问题，目前大多采用设计谐振驱动的方法。但是为实现谐振驱动，需多个辅助开关管协同工作，从而增大了驱动电路的设计规模与控制难度。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种谐振无损驱动电路结构，通过辅助开关管组合开关方式，简化SiC MOSFET的谐振门极驱动电路，实现了能量回收，降低了驱动损耗，提高了能量转换效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种谐振无损驱动电路结构，包括四个辅助开关管S1、S2、S3、S4、谐振电感Lr、一个正电压源VCC和一个负电源VEE，所述辅助开关管S1和辅助开关管S2相互串联，所述辅助开关管S3和辅助开关管S3相互串联，串联后的辅助开关管S1、S2与串联后的辅助开关管S3、 S4相互并联，所述谐振电感Lr的一端连接于辅助开关管S1和辅助开关管S2之间，另一端连接于辅助开关管S3和辅助开关管S4之间，所述正电压源VCC连接于辅助开关管S1和辅助开关管S3之间，所述负电源VEE连接于辅助开关管S2和辅助开关管S4之间；辅助开关管S3和辅助开关管S4之间还连接有待驱动器件。
进一步的，所述待驱动器件为SiC MOSFET，SiC MOSFET包括栅极输入电容Ciss。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.该驱动电路结构包括四个辅助开关管及一个谐振电感。通过辅助开关管的配合，控制谐振电感和SiC MOSFET寄生电容的充放电状态，实现SiC MOSFET的开通和关断。具体表现为：通过辅助开关管构造谐振电感预充电回路，在MOSFET需要开通关断时，谐振电感与 SiC MOSFET的输入电容串联，利用预充电在谐振电感的能量加速了SiC MOSFET的开关过程，减小了开关损耗；在SiC MOSFET开通关断前，谐振电感上的能量回馈至驱动电源，从而减小了驱动损耗。该驱动电路结构采用负压关断SiC MOSFET可以有效地减小驱动干扰，防止SiC MOSFET由于串扰而产生误导通，从而增加功率变换器整体的可靠性。
2.通过本发明电路结构实现对SiC MOSFET的驱动，并降低了驱动电路的整体损耗，改善驱动电路发热现象，同时提高开关速度，降低开关损耗，使得SiC MOSFET能在高频工作环境长期低损稳定工作。因此，该新型谐振无损驱动电路更符合工程需求，降低整体损耗。
3.本发明谐振无损驱动电路采用负压关断SiC MOSFET可以有效地减小驱动干扰，防止SiC MOSFET由于桥臂串扰而产生误导，从而增加系统整体的可靠性。
4.相比于传统的谐振驱动电路，四个辅助开关管构成的新型谐振无损驱动电路减少了设计规模与控制难度，从而能够快速可靠的实现SiC MOSFET的驱动。
附图说明
图1是本发明谐振无损驱动电路的结构示意图。
图2a至图2i是谐振无损驱动电路的几种模态示意图。
图3是本发明谐振无损栅极驱动电路的主要波形示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种新型谐振无损驱动电路，和传统驱动电路(CGD)相比，实现了降低了驱动损耗，增加了开关速度，减小了SiC MOSFET开关损耗，提升了系统整体效率。
该新型谐振无损驱动电路结构图如附图1所示，由4个辅助开关管S1、S2、S3、S4、谐振电感Lr、一个正电压源VCC和一个负电源VEE构成。辅助开关管S1和辅助开关管S2相互串联，所述辅助开关管S3和辅助开关管S3相互串联，串联后的辅助开关管S1、S2与串联后的辅助开关管S3、S4相互并联，所述谐振电感Lr的一端连接于辅助开关管S1和辅助开关管S2之间，另一端连接于辅助开关管S3和辅助开关管S4之间，正电压源VCC连接于辅助开关管S1和辅助开关管S3之间，负电源VEE连接于辅助开关管S2和辅助开关管S4之间；辅助开关管 S3和辅助开关管S4之间还连接有待驱动器件。
附图1中，Q为待驱动的器件SiC MOSFET，Ciss为SiC MOSFET栅极输入电容，其值等于栅源极电容Cgs与栅漏极电容Cgd之和。本实施例所提出的谐振无损驱动电路的主要波形如附图3所示。其中，包括S1～S4的控制信号、电感电流iLr和SiC MOSFET门极驱动电压VGS。通过顺序切换S1～S4，能够有效地驱动SiC MOSFET。
具体的，本实施例的谐振无损驱动电路可分为9个工作模态，每个工作模态下的电流通路如图2a至图2i所示。谐振门极驱动电路各个模态可以分解详细分析。
模态1[t0,t1]：假设从t0时刻开始，S1、S2、S3处于关断状态，S4处于导通状态，SiCMOSFET 的门极电压被钳位在VEE，SiC MOSFET处于关断状态。
模态2[t1,t2]：t1时刻，S1和S4导通，S2和S3关断，电源VCC给谐振电感Lr进行预充电，谐振电感电流iLr增加，电流通路为VCC-S1-Lr-S4。此时，SiC MOSFET仍处于关断状态。此模态中，辅助电感预充电状态加快了SiC MOSFET的开通速度，减小了开通损耗。
模态3[t2,t3]：t2时刻，S4关断，Ciss开始充电，储存在Lr上的能量开始向Ciss中转移。SiC MOSFET的门极电压VGS由VEE变成VCC，SiC MOSFET由关断变成开通状态。
模态4[t3,t4]：t3时刻，S1关断，此模态下的电流通路为VEE-S2(反并联二极管)-Lr-S3(反并联二极管)-VCC。存储在电感Lr中的能量开始向电源回馈，能量回馈过程减小了门极驱动损耗。
模态5[t4,t5]：t4时刻，S3开通并实现ZVS，门极电压VGS被钳位在VCC，SiC MOSFET 处于开通状态并保持。
模态6[t5,t6]：t5时刻，S2和S3导通，S1和S4关断，电源VCC给谐振电感Lr进行预充电，谐振电感电流iLr增加，电流通路为VCC-S3-Lr-S2。此时，SiC MOSFET仍处于开通状态。此模态中，辅助电感预充电状态加快了SiC MOSFET的关断速度，减小了关断损耗。
模态7[t6,t7]：t6时刻，S3关断，Ciss开放电，储存在Ciss上的能量开始向Lr中转移。SiC MOSFET的门极电压VGS由VCC变成VEE，SiC MOSFET由开通变成关断状态。
模态8[t7,t8]：t7时刻，S2关断，此模态下的电流通路为VEE-S4(反并联二极管)-Lr-S1(反并联二极管)-VCC。存储在电感Lr中的能量开始向电源回馈，能量回馈过程减小了门极驱动损耗。
模态9[t8,t9]：t8时刻，S4开通并实现ZVS，门极电压VGS被钳位在VEE，SiC MOSFET处于关断状态并保持。
综上，可知本实施例提供的新型谐振无损驱动电路结构能够带来以下有益效果：
1、辅助开关管可以实现软开关，减少辅助开关管的损耗，从而本发明谐振无损驱动电路可以减少驱动损耗。
2、相比于传统驱动电路，本发明谐振无损驱动电路可以实现能量回收回电源，利用谐振电感实现能量回馈减小了SiC MOSFET的驱动损耗，提高了驱动电路性能。
3、本发明的谐振无损驱动电路采用负压关断SiC MOSFET可以有效地减小驱动干扰，防止SiC MOSFET由于桥臂串扰而产生误导，从而增加系统整体的可靠性。
4、电感电流的预充电阶段可以加快SiC MOSFET开关速度，减小了SiC MOSFET的开关损耗，同时可以通过谐振电感的电感量控制开关时的栅极充放电电流，从而有效地抑制SiC MOSFET的电流和电压过冲。
5、相比于传统的谐振驱动电路，四个辅助开关管构成的新型谐振无损驱动电路减少了设计规模与控制难度，从而能够快速可靠的实现SiC MOSFET的驱动。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种谐振无损驱动电路结构，其特征在于，包括四个辅助开关管S1、S2、S3、S4、谐振电感Lr、一个正电压源VCC和一个负电源VEE，所述辅助开关管S1和辅助开关管S2相互串联，所述辅助开关管S3和辅助开关管S3相互串联，串联后的辅助开关管S1、S2与串联后的辅助开关管S3、S4相互并联，所述谐振电感Lr的一端连接于辅助开关管S1和辅助开关管S2之间，另一端连接于辅助开关管S3和辅助开关管S4之间，所述正电压源VCC连接于辅助开关管S1和辅助开关管S3之间，所述负电源VEE连接于辅助开关管S2和辅助开关管S4之间；辅助开关管S3和辅助开关管S4之间还连接有待驱动器件。
2.根据权利要求1所述一种谐振无损驱动电路结构，其特征在于，所述待驱动器件为SiC MOSFET，SiC MOSFET包括栅极输入电容Ciss。
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