CN216851748U - 可变门极电压的多模式一体化碳化硅-硅混合开关驱动器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的可变门极电压的多模式一体化碳化硅‑硅混合开关驱动器，SiC‑MOSFET驱动支路中，低压N沟道MOSFET的Sd1输出端通过电容Cg1、门极电阻Rg1与SiC‑MOSFET栅极连接；稳压二极管D1与电容Cg1并联；电容Cd1与电阻Rd1串联；电容Cd1与电阻Rd1的节点与Sd1的栅极连接，电阻Rd1再与SiC‑MOSFET的源极连接，SiC‑MOSFET栅极与源极之间连接有电容CGS；Si‑IGBT驱动支路与上述结构类似；驱动器PWM控制信号同时与Sd1和Sd2的源极、电容Cd1和电容Cd2连接。本实用新型的结构简要合理，成本更低。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体器件的门极驱动技术领域，涉及一种可变门极电压的多模式一体化碳化硅-硅混合开关驱动器。
背景技术
宽禁带半导体器件(如：SiC-MOSFET；Gallium Nitride-GaN)具有耐高温、高开关频率、低开关损耗的特性，为实现高功率密度、高效率的电力电子设备提供了更多的可能性，但昂贵的价格对其广泛应用造成了困难。而传统的硅基器件虽然开关损耗较大，但因价格低廉，电流应力大，目前工业界功率变换系统仍以其为核心器件。随着控制技术的迅速发展，将宽禁带半导体器件与传统的硅基器件并联混合使用受到了广泛关注。其相比于宽禁带半导体器件降低了系统成本，同时相比于硅基器件，不仅可以提升系统的功率密度，也可以降低系统的开关损耗。其中SiC-MOSFET与Si-IGBT并联混合开关(SiC-MOSFET+Si-IGBTHybrid Switch，SiC/Si HyS)应用最为广泛，其通过独特的驱动模式兼备了SiC-MOSFET的高开关频率和Si-IGBT的大电流应力特性，在宽电流范围内降低导通损耗，对构建低成本、大电流功率变换器有较大优势。
通常情况下，为了使SiC-MOSFET和Si-IGBT在实际应用发挥最佳性能，SiC-MOSFET和Si-IGBT需要不同的栅极电压完成器件的开通和关断。但对于SiC/Si的HyS，SiC-MOSFET的源极和Si-IGBT的发射极连接，一个控制信号和一个传统的门极驱动支路难以获得不同的电压等级去分别控制SiC-MOSFET和Si-IGBT。通常需要增加门极驱动支路和控制信号来实现多驱动模式和不同门极电压等级的需求。从而，驱动电路中的驱动器、电源模块、隔离器等主要器件均需要双倍的数量，且需要双倍的控制信号并结合精确的延迟时间完成SiC/Si HyS的控制。
因此，SiC/Si的HyS使用过程中给门极驱动设计带来的复杂性，严重影响了SiC/Si的HyS在实际应用中的发展，亟需研制一种新型结构，克服前述的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种可变门极电压的多模式一体化碳化硅-硅混合开关驱动器，解决了现有技术在SiC/Si的HyS应用中为获得不同栅极电压而需要增加双倍数量的电子器件和控制信号，导致SiC/Si的HyS门极驱动设计复杂度显著提高的问题。
本实用新型所采用的技术方案是，一种可变门极电压的多模式一体化碳化硅-硅混合开关驱动器，包括驱动器、SiC-MOSFET驱动支路、Si-IGBT驱动支路，
其中，在SiC-MOSFET驱动支路中，低压N沟道MOSFET的Sd1输出端与电容Cg1、门极电阻Rg1依次串联，门极电阻Rg1再与SiC-MOSFET的栅极连接；稳压二极管D1与电容Cg1并联；电容Cd1与电阻Rd1串联；电容Cd1与电阻Rd1的节点与Sd1的栅极连接，电阻Rd1的另一端与SiC-MOSFET的源极连接，SiC-MOSFET栅极与源极之间连接有电容CGS；
在Si-IGBT驱动支路中，低压P沟道MOSFET的Sd2输出端与电容Cg2串联，电容Cg2与门极电阻Rg2串联，门极电阻Rg2与Si-IGBT的栅极串连；稳压二极管D2与电容Cg2并联；电容Cd2与电阻Rd2串联；电容Cd2与电阻Rd2的节点与Sd2的栅极连接，电阻Rd2的另一端与Si-IGBT的发射极连接，Si-IGBT栅极与发射极之间连接有电容CGE；
驱动器输出的PWM控制信号同时与Sd1和Sd2的源极分别连接，并且驱动器输出的PWM控制信号同时与上述两个RC延迟网络中的电容Cd1和电容Cd2分别连接。
本实用新型的可变门极电压的多模式一体化碳化硅-硅混合开关驱动器，其特征还在于：
所述的驱动器供电的高电位和低电位分别为Vcc和Vee，驱动器供电电源为Vcc-Vee。
所述的电容Cd1与电阻Rd1串联组成第一个基本的RC延迟电路。
所述的电容Cd2与电阻Rd2串联组成第二个基本的RC延迟电路。
所述的电容CGS、电容CGE均作为寄生电容。
本实用新型的有益效果是，结构设计简要合理，系统整体成本更低，有利于SiC/Si的HyS在实际中的应用。
附图说明
图1是本实用新型的结构原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
参照图1，本实用新型的结构是，包括驱动器(Driver)、SiC-MOSFET驱动支路、Si-IGBT驱动支路，
其中，在SiC-MOSFET驱动支路中，低压N沟道MOSFET的Sd1输出端与电容Cg1、门极电阻Rg1依次串联，门极电阻Rg1再与SiC-MOSFET的栅极连接；稳压二极管D1与电容Cg1并联；电容Cd1与电阻Rd1串联，组成基本的RC延迟电路(即第一个RC延迟电路)，用于实现SiC-MOSFET的关断延迟；电容Cd1与电阻Rd1的节点与Sd1的栅极连接，电阻Rd1的另一端与SiC-MOSFET的源极连接，SiC-MOSFET栅极与源极之间连接有电容CGS作为寄生电容；
在Si-IGBT驱动支路中，低压P沟道MOSFET的Sd2输出端与电容Cg2串联，电容Cg2与门极电阻Rg2串联，门极电阻Rg2与Si-IGBT的栅极串连；稳压二极管D2与电容Cg2并联；电容Cd2与电阻Rd2串联，组成基本的RC延迟电路(即第二个RC延迟电路)，用于实现Si-IGBT的开通延迟；电容Cd2与电阻Rd2的节点与Sd2的栅极连接，电阻Rd2的另一端与Si-IGBT的发射极连接，Si-IGBT栅极与发射极之间连接有电容CGE作为寄生电容；
驱动器(Driver)供电的高电位和低电位分别为Vcc和Vee，驱动器供电电源为Vcc-Vee；驱动器输出的PWM控制信号同时与Sd1和Sd2的源极分别连接，并且驱动器输出的PWM控制信号同时与上述两个RC延迟网络中的电容Cd1和电容Cd2分别连接。
本实用新型的工作原理是，
1)在SiC-MOSFET驱动支路中，当驱动器输出的控制信号为高电平时，驱动器的输出信号通过Sd1内部二极管直接给电容Cg1和电容CGS充电，同时稳压二极管D1被击穿，电容Cg1两端的电压被嵌位为稳压二极管D1的反向击穿电压VD1，此时SiC-MOSFET导通时门极电压为Vcc-Vee-VD1；
当驱动器输出的控制信号为低电平时，电容Cd1上的电压开始增加，当大于Sd1的门极开启电压时Sd1导通，电容CGS迅速放电，同时SiC-MOSFET开始关断；但由于SiC/Si的HyS工作频率高，低电平持续时间短，电容Cg1两端的电压仍能保持原来的二极管击穿电压VD1。因此，SiC-MOSFET在关断时，门极电压为Vee-VD1，通过调节二极管D1的击穿电压，可保证SiC-MOSFET开通和关断所需的电压值。
2)Si-IGBT驱动支路的工作原理与SiC-MOSFET驱动支路类似，在Si-IGBT驱动支路中，当驱动器输出的控制信号为高电平时，电容Cd2两端电压开始降低，当降低至Sd2的门极开启电压时，Sd2导通；驱动器的输出信号通过Sd2给电容Cg2充电，同时稳压二极管D2被击穿，电容Cg2两端的电压被嵌位为稳压二极管D2的反向击穿电压VD2，此时Si-IGBT导通时门极电压为Vcc-Vee-VD2；
当驱动器输出的控制信号为低电平时，电容CGE通过Sd2的内部二极管迅速放电，同时Si-IGBT开始关断；由于SiC/Si的HyS工作频率高，低电平持续时间短，电容Cg2两端的电压在短时间内仍能保持原来的二极管击穿电压VD2。因此，Si-IGBT在关断时其门极电压为Vee-VD2，通过调节二极管D2的击穿电压，可保证Si-IGBT开通和关断所需的电压值。
与现有技术相比，本实用新型的优点具体包括：
1)通过改变RC延迟网络中的电容Cd1，Cd2和电阻Rd1，Rd2的值，来分别调节SiC-MOSFET的关断延迟时间和Si-IGBT的开通延迟时间。详细计算见式(1)和式(2)，Vth1和Vth2分别是指Sd1的门极开启电压和Sd2的门极开启电压。
2)能够通过调节稳压二极管D1和D2的反向击穿电压，分别调节SiC-MOSFET和Si-IGBT的门极驱动电压，详细计算见式(3)-式(6)：
3)相比于现有技术具有相同功能的门极驱动电路，本实用新型的结构系统整体成本更低，有利于SiC/Si的HyS在实际中的应用。
Claims (5)
1.一种可变门极电压的多模式一体化碳化硅-硅混合开关驱动器，其特征在于：包括驱动器、SiC-MOSFET驱动支路、Si-IGBT驱动支路，
其中，在SiC-MOSFET驱动支路中，低压N沟道MOSFET的Sd1输出端与电容Cg1、门极电阻Rg1依次串联，门极电阻Rg1再与SiC-MOSFET的栅极连接；稳压二极管D1与电容Cg1并联；电容Cd1与电阻Rd1串联；电容Cd1与电阻Rd1的节点与Sd1的栅极连接，电阻Rd1的另一端与SiC-MOSFET的源极连接，SiC-MOSFET栅极与源极之间连接有电容CGS；
在Si-IGBT驱动支路中，低压P沟道MOSFET的Sd2输出端与电容Cg2串联，电容Cg2与门极电阻Rg2串联，门极电阻Rg2与Si-IGBT的栅极串连；稳压二极管D2与电容Cg2并联；电容Cd2与电阻Rd2串联；电容Cd2与电阻Rd2的节点与Sd2的栅极连接，电阻Rd2的另一端与Si-IGBT的发射极连接，Si-IGBT栅极与发射极之间连接有电容CGE；
驱动器输出的PWM控制信号同时与Sd1和Sd2的源极分别连接，并且驱动器输出的PWM控制信号同时与电容Cd1和电容Cd2分别连接。
2.根据权利要求1所述的可变门极电压的多模式一体化碳化硅-硅混合开关驱动器，其特征在于：所述的驱动器供电的高电位和低电位分别为Vcc和Vee，驱动器供电电源为Vcc-Vee。
3.根据权利要求1所述的可变门极电压的多模式一体化碳化硅-硅混合开关驱动器，其特征在于：所述的电容Cd1与电阻Rd1串联组成第一个基本的RC延迟电路。
4.根据权利要求1所述的可变门极电压的多模式一体化碳化硅-硅混合开关驱动器，其特征在于：所述的电容Cd2与电阻Rd2串联组成第二个基本的RC延迟电路。
5.根据权利要求1所述的可变门极电压的多模式一体化碳化硅-硅混合开关驱动器，其特征在于：所述的电容CGS、电容CGE均作为寄生电容。
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