CN207995054U - 一种碳化硅mos管驱动保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种碳化硅MOS管驱动保护电路，包括驱动变压器T2及与驱动变压器原边相连的推挽电路和与驱动变压器副边相连的驱动输出电路，所述驱动输出电路包括PNP三极管、第一稳压管、高电平输出端和低电平输出端，所述PNP三极管的基极和发射极分别与所述副边线圈的第一端相连，所述PNP三极管的集电极连接所述第一稳压管的阳极，所述第一稳压管的阴极连接所述副边线圈的第二端，所述高电平输出端连接所述PNP三极管的发射极，所述低电平输出端连接所述第一稳压管的阴极。本实用新型能够满足碳化硅MOS管导通和关管的快速驱动,并能够消除驱动尖峰及干扰，实现碳化硅MOS管的可靠关断。

Description

一种碳化硅MOS管驱动保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种碳化硅MOS管驱动保护电路，属于碳化硅功率器件领域。

背景技术

在电力电子行业的发展过程中，半导体技术起到了决定性作用。其中，功率半导体器件一直被认为是电力电子设备的关键组成部分。随着电力电子技术在工业、医疗、交通、消费等行业的广泛应用，功率半导体器件直接影响着这些电力电子设备的成本和效率。功率硅器件的应用已经相当成熟，但随着日益增长的行业需求，硅器件由于其本身物理特性的限制，已经开始不适用于一些高压、高温、高效率及高功率密度的应用场合。

碳化硅(sic)材料因其优越的物理特性，碳化硅MOSFE一直是最受瞩目的碳化硅开关管，它不仅具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性，而且其驱动电路非常简单,并与现有的电力电子器件(硅功率MOSFET和IGBT)驱动电路的兼容性是碳化硅器件中最好的。自从碳化硅1824年被瑞典科学家Jacob Berzelius发现以来，直到二十世纪五十年代后半期，才真正被纳入到固体器件的研究中来。二十世纪九十年代以来，碳化硅技术得到了迅速发展。

20世纪90年代以来，碳化硅(silicon carbide，sic)MOSFET技术的迅速发展，引起人们对这种新一代功率器件的广泛关注。与Si材料相比，碳化硅材料较高的热导率决定了其高电流密度的特性，较高的禁带宽度又决定了碳化硅(sic)器件的高击穿场强和高工作温度。尤其在碳化硅(sic)MOSFET的开发与应用方面，与相同功率等级的Si MOSFET相比，碳化硅(sic)MOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。但由于碳化硅(sic)MOSFET的价格相当昂贵，限制了它的广泛应用。

碳化硅(sic)MOSFET的驱动电路，由于碳化硅(sic)MOSFET器件特性与传统的SiMOSFET有较大差别，碳化硅(sic)MOSFET驱动电路也是一项研究的重点。相比于Si MOSFET，碳化硅(sic)MOSFET的寄生电容更小。碳化硅(sic)MOSFET对驱动电路的寄生参数更敏感。另一方面，目前量产的碳化硅(sic)MOSFET的驱动电压范围为-5V～+25V，建议驱动电压一般为-2V/+20V；而传统的Si MOSFET的驱动电压范围为-30V～+30V，建议驱动电压一般为0/+15V。因此，碳化硅(sic)MOSFET与传统的Si MOSFET相比，安全阈值很小，驱动电路的一个电压尖峰很可能就会击穿GS之间的氧化层，这也是驱动电路需要精心设计的另一个原因。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种碳化硅MOS管驱动保护电路，用以解决碳化硅功率器件驱动电压安全阈值小，易被驱动电压击穿的问题；进一步的，还减小了驱动电路寄生电感的影响，保证了碳化硅功率器件的可靠关断，避免了噪声干扰。

为实现上述目的，本实用新型的方案包括：

本实用新型的一种碳化硅MOS管驱动保护电路，包括如下方案：

方案一，包括推挽电路和变压器，所述变压器包括原边线圈和至少一个副边线圈，所述原边线圈与推挽电路的输出端相连，所述推挽电路的信号输入端用于接收控制信号，各副边线圈均连接一个驱动输出电路，所述驱动输出电路包括PNP三极管、第一稳压管、高电平输出端和低电平输出端，所述PNP三极管的基极和发射极分别与所述副边线圈的第一端相连，所述PNP三极管的集电极连接所述第一稳压管的阳极，所述第一稳压管的阴极连接所述副边线圈的第二端，所述高电平输出端连接所述PNP三极管的发射极，所述低电平输出端连接所述第一稳压管的阴极。

本方案利用稳压管将驱动电压钳位，有效驱动了碳化硅MOS管的导通和关断，同时一定程度内防止MOS管被击穿。

方案二，在方案一的基础上，所述驱动输出电路还包括钳位电路，所述钳位电路包括第二稳压二极管和第三稳压二极管，所述高电平输出端还连接第二稳压二极管的阴极，所述第二稳压二极管的阳极还连接所述副边线圈第二端，所述低电平输出端还连接第三稳压二极管的阴极，所述第三稳压二极管的阳极还连接所述副边线圈第一端。

本方案采用两级稳压，在遇到驱动尖峰和异常情况时，有效保护了碳化硅MOS管不被击穿损坏。

方案三，在方案二的基础上，所述推挽电路包括NPN型三极管和PNP型三极管，所述推挽电路的信号输入端还连接所述NPN型三极管和PNP型三极管的基极；所述NPN型三极管的集电极连接供电电源，所述PNP型三极管的集电极接地；所述NPN型三极管和PNP型三极管的发射极分别与所述原边线圈的第一端相连，所述原边线圈的第二端接地。

本方案采用负压关断，避免噪声干扰可能导致的误开通，保证了碳化硅MOS管的可靠关断。

方案四，在方案三的基础上，所述推挽电路还包括第一耦合电容，所述NPN型三极管和PNP型三极管的发射极相连后通过所述第一耦合电容与所述原边线圈的第一端相连。

方案五，在方案一的基础上，所述驱动输出电路还包括第二耦合电容，所述驱动输出电路的PNP三极管的基极和发射极相连后通过所述第二耦合电容与所述副边线圈的第一端相连。

本方案为了减小驱动电路寄生电感的影响，在驱动电路布局时应加入适量的吸收电容。

方案六，在方案一的基础上，所述驱动输出电路还包括第三电容，所述第三电容与所述第一稳压管并联。

方案七，在方案二的基础上，所述第一稳压管和第二稳压管为TVS管。

TVS管在极短时间内降低阻抗，吸收大电流，钳位电压，在正电压开管和负电压关管时保护碳化硅MOS管。

附图说明

图1是碳化硅MOS管驱动及其保护电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1所示的一种碳化硅MOS管驱动及其保护电路，包括用于接收PWM信号的驱动输入端，驱动输入端连接电阻R47一端,电阻R47另一端与NPN三极管Q23和PNP三极管Q24的基极相连接,三极管Q23的集电极与供电电源VCC相连接,三极管Q23发射极与电阻R24相连接,三极管Q24集电极与GND相连接,三极管Q24发射极与电阻R46一端相连接,电阻R24另一端与电阻R46另一端相连后与电容C25一端互连,电容C25另一端与驱动变压器T2原边线圈的2脚相连接,变压器T2原边线圈的4脚与GND连接。变压器T2第一副边线圈的6脚连接电容C48,电容C48与电阻R26、R44一端相连接，电阻R26另一端与PNP三极管Q6发射极及TVS管D25阴极相连，电阻R44另一端与三极管Q6基极相连接，三极管集电极与电容C49及稳压管D16阳极相连接，变压器T2第一副边线圈的7脚与电容C49另一端、稳压管D16阴极、TVS管D26阴极相连，TVS管D25阳极与TVS管D26阳极相连接。变压器T2第二副边线圈的9脚连接电容C50一端,电容C50另一端与电阻R31、R45一端相连接，电阻R31另一端与PNP三极管Q7发射极及TVS管D27阴极相连，电阻R45另一端与三极管Q7基极相连接，三极管集电极与电容C51及稳压管D17阳极相连接，变压器T2第二副边线圈的10脚与电容C51另一端、稳压管D17阴极、TVS管D28阴极相连，TVS管D27阳极与TVS管D28阳极相连接。

本实用新型的一种碳化硅MOS管驱动保护电路的工作原理是为，当电压建立后通过输出电压负反馈,使控制芯片输出PWM波形，PWM波形从驱动输入端进入，经过R47分别驱动推挽电路的NPN三极管Q23和PNP三极管Q24。当PWM波形为高电平时，Q23导通，Q24管断，电压VCC通过电阻R24为电容C25进行充电，此时电容C25左正右负，电流从驱动变压器T2原边线圈的2脚流入4脚流出，此时驱动变压器T2的2脚为正4脚为负，根据变压器同名端可知，变压器T2第一副边线圈的6脚为正7脚为负，为电容C48进行充电，此时电容C48左正右负，电流通过R44为PNP三极管Q6的基极提供高电平，此时电三极管Q6工作在截止状态，电流通过R26为碳化硅MOS管提供高电平，使碳化硅MOS管导通，如果驱动电压过高可以通过TVS管D25将电压钳位到+20V。同时变压器T2第二副边线圈的9脚为正10脚为负，为电容C50进行充电，此时电容C50左正右负，电流通过R45为PNP三极管Q7的基极提供高电平，此时电三极管Q7工作在截止状态，电流通过R31为碳化硅MOS管提供高电平，使碳化硅MOS管导通，如果驱动电压过高可以通过TVS管D27将电压钳位到+20V。使得碳化硅MOS管在导通时不会因为驱动电平过高而损坏。

当PWM波形为底电平时，Q23管断，Q24导通，电流从驱动变压器T2原边线圈的4脚流入2脚流出，此时电容C25左负右正，此时驱动变压器T2原边线圈的2脚为负4脚为正，根据变压器同名端可知，变压器T2第一副边线圈的6脚为负7脚为正，为电容C48进行放电，此时电容C48左负右正，PNP三极管Q6的基极为低电平，此时电三极管Q6工作于导通状态，电流通过驱动变压器T2第一副边线圈的7脚流出为电容C49进行充电，此时稳压管D16的稳压值为-3.3V，当电压超过D16的稳压值时，电压被钳位到-3.3V，因此输出一个-3.3V电压，为碳化硅MOS管提供管断电压，如果提供管断电压过高可以通过TVS管D26将电压钳位到-5V，使得碳化硅MOS管不会因为驱动负压电平过低而损坏。同时变压器T2第二副边线圈的9脚为负10脚为正，为电容C50进行放电，此时电容C50左负右正，PNP三极管Q7的基极为低电平，此时电三极管Q7工作于导通状态，电流通过驱动变压器T2第二副边线圈10脚流出为电容C51进行充电，此时稳压管D17的稳压值为-3.3V，当电压超过D17的稳压值时，电压被钳位到-3.3V，因此输出一个-3.3V，为碳化硅MOS管提供管断电压，如果提供管断电压过高可以通过TVS管D28将电压钳位到-5V，使得碳化硅MOS管不会因为驱动负压电平过低而损坏。

本实用新型满足了碳化硅MOS管的需求工作电压；且能快速实现对碳化硅MOS管的开通和管断；最后有效防止了碳化硅MOS管的误动作及击穿损坏。

Claims (7)

1.一种碳化硅MOS管驱动保护电路，其特征在于，包括推挽电路和变压器，所述变压器包括原边线圈和至少一个副边线圈，所述原边线圈与推挽电路的输出端相连，所述推挽电路的信号输入端用于接收控制信号，各副边线圈均连接一个驱动输出电路，所述驱动输出电路包括PNP三极管、第一稳压管、高电平输出端和低电平输出端，所述PNP三极管的基极和发射极分别与所述副边线圈的第一端相连，所述PNP三极管的集电极连接所述第一稳压管的阳极，所述第一稳压管的阴极连接所述副边线圈的第二端，所述高电平输出端连接所述PNP三极管的发射极，所述低电平输出端连接所述第一稳压管的阴极。

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOS管驱动保护电路，其特征在于，所述各驱动输出电路还包括钳位电路，所述钳位电路包括第二稳压二极管和第三稳压二极管，所述高电平输出端还连接第二稳压二极管的阴极，所述第二稳压二极管的阳极还连接所述副边线圈第二端，所述低电平输出端还连接第三稳压二极管的阴极，所述第三稳压二极管的阳极还连接所述副边线圈第一端。

3.根据权利要求2所述的一种碳化硅MOS管驱动保护电路，其特征在于，所述推挽电路包括NPN型三极管和PNP型三极管，所述推挽电路的信号输入端还连接所述NPN型三极管和PNP型三极管的基极；所述NPN型三极管的集电极连接供电电源，所述PNP型三极管的集电极接地；所述NPN型三极管和PNP型三极管的发射极分别与所述原边线圈的第一端相连，所述原边线圈的第二端接地。

4.根据权利要求3所述的一种碳化硅MOS管驱动保护电路，其特征在于，所述推挽电路还包括第一耦合电容，所述NPN型三极管和PNP型三极管的发射极相连后通过所述第一耦合电容与所述原边线圈的第一端相连。

5.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOS管驱动保护电路，其特征在于，所述驱动输出电路还包括第二耦合电容，所述驱动输出电路的PNP三极管的基极和发射极相连后通过所述第二耦合电容与所述副边线圈的第一端相连。

6.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOS管驱动保护电路，其特征在于，所述驱动输出电路还包括第三电容，所述第三电容与所述第一稳压管并联。

7.根据权利要求2所述的一种碳化硅MOS管驱动保护电路，其特征在于，所述第二稳压管和第三稳压管为TVS管。