CN115441703A - 一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及SiC器件驱动电路，公开了一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的驱动电路，其包括SiC MOSFET上桥臂和SiC MOSFET下桥臂；每个桥臂均包括串扰抑制单元和驱动单元；其驱动单元包括驱动集成单元，驱动集成单元的VCC端和VEE端均连接有驱动电源支撑单元；驱动集成单元的VOUT端连接有驱动调节单元，驱动调节单元与串扰抑制单元连接；串扰抑制单元与SiC MOSFET连接。本发明设计的驱动电路可以有效的抑制正向串扰电压和负向串扰电压，保证了SiCMOSFET器件的安全运行；延长了SiC MOSFET器件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及SiC器件驱动电路，尤其涉及了一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的驱动电路。
背景技术
近年来，以SiC MOSFET为代表的宽禁带半导体器件因其具有高开关频率、高开关速度、高热导率等优点，已成为高频、高温、高功率密度电力电子变换器的理想选择。
然而随着SiC MOSFET开关速度加快，桥式电路受寄生参数影响加剧，串扰现象更加严重。由于SiC MOSFET正向阈值电压与负向安全电压较小，串扰问题引起的正负向电压尖峰更容易造成开关管误导通或栅源极击穿，进而增加开关损耗，严重时损坏开关管，因此合适的串扰抑制方法对提高变换器工作可靠性、提升其功率密度具有重要意义。
正负尖峰电压主要有两个地方产生，一个是由于CGD的充放电产生的电流，另一个是驱动回路中共源的寄生电感产生的感应电压，两者都会通过驱动回路影响到栅极电压。CGD引起的串扰电压，主要是由于CDU/DT的感应电流流过驱动回路产生阻抗，因此减小门极驱动回路阻抗，串扰电压幅值也会变小。而共源电感引起的串扰电压，主要是电流变化在电感两端产生感应电压导致，外接驱动回路阻抗与CGS串联，驱动回路阻抗越大，CGS分压越小，所以产生的尖峰也会更小，所以电压尖峰的产生是由于CGD以及LS共同导致的结果。
如现有技术CN202210069641.7其设计的电路串扰严重有较大正负尖峰电压。
发明内容
本发明针对现有技术中设计的电路串扰严重有较大正负尖峰电压的问题，提出了一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的驱动电路。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的驱动电路，包括SiC MOSFET上桥臂和SiC MOSFET下桥臂；每个桥臂均包括串扰抑制单元和驱动单元；其驱动单元包括驱动集成单元，驱动集成单元的VCC端和VEE端均连接有驱动电源支撑单元；驱动集成单元的VOUT端连接有驱动调节单元，驱动调节单元与串扰抑制单元连接；串扰抑制单元与SiCMOSFET连接。
作为优选，驱动集成单元包括上桥臂驱动集成单元和下桥臂驱动集成单元；驱动调节单元包括上桥臂驱动调节单元和下桥臂驱动调节单元；串扰抑制单元包括上桥臂串扰抑制单元和下桥臂串扰抑制单元；
SiC MOSFET上桥臂的驱动电路包括上桥臂驱动集成单元；上桥臂驱动集成单元的VCC端与驱动电源支撑电容C1连接，驱动电源支撑电容C1连接的另一端接地；
上桥臂驱动集成单元的VEE端与驱动电源支撑电容C2连接，驱动电源支撑电容C2连接的另一端接地；上桥臂驱动集成单元的VEE端输出电压VEEH；
上桥臂驱动调节单元包括电阻R1、电阻R2和二极管D1；电阻R1与二极管D1相互串联，电阻R1与二极管D1串联后并与电阻R2并联；
上桥臂驱动集成单元的VOUT端与电阻R1、电阻R2的一端连接；电阻R1的另一端与二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极及电阻R2的另一端与上桥臂串扰抑制单元连接；
SiC MOSFET下桥臂的驱动电路包括下桥臂驱动集成单元；下桥臂驱动集成单元的VCC端与驱动电源支撑电容C4连接，驱动电源支撑电容C4连接的另一端接地；
下桥臂驱动集成单元的VEE端与驱动电源支撑电容C5连接，驱动电源支撑电容C5的另一端接地；下桥臂驱动集成单元的VEE端输出电压VEEL；
下桥臂驱动调节单元包括电阻R5、电阻R6和二极管D4；电阻R5与二极管D4串联，电阻R5与二极管D4串联后与电阻R6并联；
下桥臂驱动集成单元的VOUT端与电阻R5、电阻R6的一端连接；电阻R5的另一端与二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极及电阻R6的另一端与下桥臂串扰抑制单元连接。
作为优选，上桥臂串扰抑制单元包括二极管D2、二极管D3、电阻R3、电容C3和场效应晶体管Q2；电阻R3的一端与上桥臂驱动集成单元的VOUT端连接，另一端与场效应晶体管Q2的G端连接；电容C3的一端与场效应晶体管Q2的D端连接，电容C3的另一端接地；二极管D2的阴极与场效应晶体管Q2的S端连接,二极管D2的阳极与二极管D3的阴极及SiC MOSFET Q1的G端连接；二极管D3的阳极连接VEEH；
下桥臂串扰抑制单元包括二极管D5、二极管D6、电阻R7、电容C6和场效应晶体管Q4；
电阻R7的一端与上桥臂驱动集成单元的VOUT端连接，另一端与场效应晶体管Q4的G端连接；
电容C6的一端与场效应晶体管Q4的D端连接，电容C7的另一端接地；二极管D5的阴极与场效应晶体管Q4的S端连接,二极管D5的阳极与二极管D6的阴极及SiC MOSFETQ3的G端连接；二极管D6的阳极连接VEEL。
作为优选，还包括串扰电阻，串扰电阻包括上桥臂串扰电阻R4和下桥臂串扰电阻R8；
上桥臂串扰抑制单元与上桥臂串扰电阻R4连接，电阻R4一端与SiC MOSFET Q1的G端连接，另一端接地；
下桥臂串扰抑制单元与下桥臂串扰电阻R8连接，电阻R8一端与SiC MOSFETQ3的G端连接，另一端接地。
作为优选，场效应晶体管Q2和场效应晶体管Q4均为PNP场效应晶体管。
作为优选，二极管D2、二极管D3、二极管D5和二极管D6为肖特基二极管。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明设计的驱动电路可以有效的抑制正向串扰电压和负向串扰电压，保证了SiC MOSFET器件的安全运行；延长SiC MOSFET器件的使用寿命。
本发明设计的电路，其设计简单，使用极少的器件完成了串扰抑制的工作。附图说明
图1是本发明的电路图；
图2是本发明的实施例1电路图；
图3是本发明的双脉冲测试电路图；
图4是本发明的增加串扰电路前的效果图；
图5是本发明的增加串扰电路后的效果图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
在现有的技术中，附图2中，正压尖峰为图中所示的半桥拓扑下，两个MOS关断情况下，上管忽然导通，由于A点电压急剧变化，会在驱动回路产生压降，导致下管Vgs电压升高，当此电压高到一定程度，则有可能会发生误开通。
负压尖峰为图2中所示半桥拓扑下，上管MOS开通，下管MOS关断的情况下，上管忽然关断，A点电压极剧变化，会使得电流通过下管Cgd流出，导致Vgs产生一个负压尖峰，负压尖峰过大会影响器件使用寿命。
实施例2
与实施例1所不同的是，通过图1所示的电路图，本实施例为一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的驱动电路，包括SiC MOSFET上桥臂和SiC MOSFET下桥臂；每个桥臂均包括串扰抑制单元和驱动单元；其驱动单元包括驱动集成单元，驱动集成单元的VCC端和VEE端均连接有驱动电源支撑单元；驱动集成单元的VOUT端连接有驱动调节单元，驱动调节单元与串扰抑制单元连接；串扰抑制单元与SiC MOSFET连接。
驱动集成单元包括上桥臂驱动集成单元和下桥臂驱动集成单元；驱动调节单元包括上桥臂驱动调节单元和下桥臂驱动调节单元；串扰抑制单元包括上桥臂串扰抑制单元和下桥臂串扰抑制单元；
SiC MOSFET上桥臂的驱动电路包括上桥臂驱动集成单元；上桥臂驱动集成单元的VCC端与驱动电源支撑电容C1连接，驱动电源支撑电容C1连接的另一端接地；
上桥臂驱动集成单元的VEE端与驱动电源支撑电容C2连接，驱动电源支撑电容C2连接的另一端接地；上桥臂驱动集成单元的VEE端输出电压VEEH；
上桥臂驱动调节单元包括电阻R1、电阻R2和二极管D1；电阻R1与二极管D1相互串联，电阻R1与二极管D1串联后并与电阻R2并联；
上桥臂驱动集成单元的VOUT端与电阻R1、电阻R2的一端连接；电阻R1的另一端与二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极及电阻R2的另一端与上桥臂串扰抑制单元连接；
SiC MOSFET下桥臂的驱动电路包括下桥臂驱动集成单元；下桥臂驱动集成单元的VCC端与驱动电源支撑电容C4连接，驱动电源支撑电容C4连接的另一端接地；
下桥臂驱动集成单元的VEE端与驱动电源支撑电容C5连接，驱动电源支撑电容C5的另一端接地；下桥臂驱动集成单元的VEE端输出电压VEEL；
下桥臂驱动调节单元包括电阻R5、电阻R6和二极管D4；电阻R5与二极管D4串联，电阻R5与二极管D4串联后与电阻R6并联；
下桥臂驱动集成单元的VOUT端与电阻R5、电阻R6的一端连接；电阻R5的另一端与二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极及电阻R6的另一端与下桥臂串扰抑制单元连接。
上桥臂串扰抑制单元包括二极管D2、二极管D3、电阻R3、电容C3和场效应晶体管Q2；电阻R3的一端与上桥臂驱动集成单元的VOUT端连接，另一端与场效应晶体管Q2的G端连接；电容C3的一端与场效应晶体管Q2的D端连接，电容C3的另一端接地；二极管D2的阴极与场效应晶体管Q2的S端连接,二极管D2的阳极与二极管D3的阴极及SiC MOSFET Q1的G端连接；二极管D3的阳极连接VEEH；
下桥臂串扰抑制单元包括二极管D5、二极管D6、电阻R7、电容C6和场效应晶体管Q4；
电阻R7的一端与上桥臂驱动集成单元的VOUT端连接，另一端与场效应晶体管Q4的G端连接；
电容C6的一端与场效应晶体管Q4的D端连接，电容C7的另一端接地；二极管D5的阴极与场效应晶体管Q4的S端连接,二极管D5的阳极与二极管D6的阴极及SiC MOSFET Q3的G端连接；二极管D6的阳极连接VEEL。
场效应晶体管Q2和场效应晶体管Q4均为PNP场效应晶体管。
二极管D2、二极管D3、二极管D5和二极管D6为肖特基二极管。
实施例3
在实施例2基础上，本实施例还包括串扰电阻，串扰电阻包括上桥臂串扰电阻R4和下桥臂串扰电阻R8；
上桥臂串扰抑制单元与上桥臂串扰电阻R4连接，电阻R4一端与SiC MOSFET Q1的G端连接，另一端接地；
下桥臂串扰抑制单元与下桥臂串扰电阻R8连接，电阻R8一端与SiC MOSFET Q3的G端连接，另一端接地。
场效应晶体管Q2和场效应晶体管Q4均为PNP场效应晶体管。
二极管D2、二极管D3、二极管D5和二极管D6为肖特基二极管。
串扰抑制单元工作原理：
当SiC MOSFET Q3处于关闭状态时，SiC MOSFET Q1开通，此时SiC MOSFET Q3的D极电压发生急剧变化，桥臂中点电压急剧变化将产生电流，该电流流经二极管D4、电阻R5、电阻R6到达VEEL，该电流在电阻R6上产生压降VFR6，当压降VFR6大于VfD5+|Vgsth|(VFd5为D5的导通压降，Vgsth为场效应晶体管Q4的阈值电压；则场效应晶体管Q4导通；二极管D5、场效应晶体管Q4、电容C6构成了一条低阻抗回路，将串扰电流能量吸收到电容C6中，从而抑制了正向串扰电压。
当SiC MOSFET Q3处于关断状态，SiC MOSFET Q1忽然关断时，桥臂中点电压急剧变化将产生电流，该电流将从VEEL流经电阻R6，该电流在电阻R6上产生压降使得负压更负，但是由于二极管D6的存在，该负压被钳位在|VfD6+VEEL|，VfD6为二极管D6的导通压降，从而抑制了正向串扰电压。因此为了更好的抑制正向串扰电压，应该选择场效应晶体管Q4的阈值电压Vgsth更小的PNP MOSFET；导通压降更小的二极管D5。
图3为双脉冲测试电路，通过对测试电路进行测试，对于图4未作任何抑制措施，CH4为下管VGS串扰电压，CH1为上管VGS电压，CH2为L1电流波形。图5为利用本发明串扰抑制措施，CH3为下管VGS串扰电压，CH1为上管VGS电压，CH2为L1电流波形；通过对比图4和图5可知，增加了串扰抑制措施，其对电压的尖峰抑制效果好。
Claims (6)
1.一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的驱动电路，包括SiC MOSFET上桥臂和SiC MOSFET下桥臂；每个桥臂均包括串扰抑制单元和驱动单元；其特征在于，驱动单元包括驱动集成单元，驱动集成单元的VCC端和VEE端均连接有驱动电源支撑单元；驱动集成单元的VOUT端连接有驱动调节单元，驱动调节单元与串扰抑制单元连接；串扰抑制单元与SiC MOSFET连接。
2.根据权利要求1所述的一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的驱动电路，其特征在于，驱动集成单元包括上桥臂驱动集成单元和下桥臂驱动集成单元；驱动调节单元包括上桥臂驱动调节单元和下桥臂驱动调节单元；串扰抑制单元包括上桥臂串扰抑制单元和下桥臂串扰抑制单元；
SiC MOSFET上桥臂的驱动电路包括上桥臂驱动集成单元；上桥臂驱动集成单元的VCC端与驱动电源支撑电容C1连接，驱动电源支撑电容C1连接的另一端接地；
上桥臂驱动集成单元的VEE端与驱动电源支撑电容C2连接，驱动电源支撑电容C2连接的另一端接地；上桥臂驱动集成单元的VEE端输出电压VEEH；
上桥臂驱动调节单元包括电阻R1、电阻R2和二极管D1；电阻R1与二极管D1相互串联，电阻R1与二极管D1串联后并与电阻R2并联；
上桥臂驱动集成单元的VOUT端与电阻R1、电阻R2的一端连接；电阻R1的另一端与二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极及电阻R2的另一端与上桥臂串扰抑制单元连接；
SiC MOSFET下桥臂的驱动电路包括下桥臂驱动集成单元；下桥臂驱动集成单元的VCC端与驱动电源支撑电容C4连接，驱动电源支撑电容C4连接的另一端接地；
下桥臂驱动集成单元的VEE端与驱动电源支撑电容C5连接，驱动电源支撑电容C5的另一端接地；下桥臂驱动集成单元的VEE端输出电压VEEL；
下桥臂驱动调节单元包括电阻R5、电阻R6和二极管D4；电阻R5与二极管D4串联，电阻R5与二极管D4串联后与电阻R6并联；
下桥臂驱动集成单元的VOUT端与电阻R5、电阻R6的一端连接；电阻R5的另一端与二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极及电阻R6的另一端与下桥臂串扰抑制单元连接。
3.根据权利要求1所述的一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的驱动电路，其特征在于，
上桥臂串扰抑制单元包括二极管D2、二极管D3、电阻R3、电容C3和场效应晶体管Q2；
电阻R3的一端与上桥臂驱动集成单元的VOUT端连接，另一端与场效应晶体管Q2的G端连接；
电容C3的一端与场效应晶体管Q2的D端连接，电容C3的另一端接地；二极管D2的阴极与场效应晶体管Q2的S端连接,二极管D2的阳极与二极管D3的阴极及SiC MOSFET Q1的G端连接；
二极管D3的阳极连接VEEH；
下桥臂串扰抑制单元包括二极管D5、二极管D6、电阻R7、电容C6和场效应晶体管Q4；
电阻R7的一端与上桥臂驱动集成单元的VOUT端连接，另一端与场效应晶体管Q4的G端连接；
电容C6的一端与场效应晶体管Q4的D端连接，电容C7的另一端接地；二极管D5的阴极与场效应晶体管Q4的S端连接,二极管D5的阳极与二极管D6的阴极及SiC MOSFETQ3的G端连接；
二极管D6的阳极连接VEEL。
4.根据权利要求1所述的一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的驱动电路，其特征在于，还包括串扰电阻，串扰电阻包括上桥臂串扰电阻R4和下桥臂串扰电阻R8；
上桥臂串扰抑制单元与上桥臂串扰电阻R4连接，电阻R4一端与SiC MOSFET Q1的G端连接，另一端接地；
下桥臂串扰抑制单元与下桥臂串扰电阻R8连接，电阻R8一端与SiC MOSFETQ3的G端连接，另一端接地。
5.根据权利要求3所述的一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的驱动电路，其特征在于，场效应晶体管Q2和场效应晶体管Q4均为PNP场效应晶体管。
6.根据权利要求3所述的一种抑制SiC MOSFET桥臂串扰的驱动电路，其特征在于，二极管D2、二极管D3、二极管D5和二极管D6为肖特基二极管。
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