CN104506028B - 一种SiC MOSFET半桥电路驱动器以及半桥电路驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SiC MOSFET半桥电路驱动器以及半桥电路驱动方法，包括：负压产生电路和消除串扰电路；所述负压产生电路和消除串扰电路串联连接，所述消除串扰电路包括MOSFET开关管以及与所述MOSFET开关管串联连接的RC并联电路二，所述RC并联电路二包括并联连接的电阻R2和电容C2。本发明有益效果：本发明驱动电路通过无源器件产生负压，减少了负压电源的使用，节约了成本；同时，有效的解决了半桥单元串扰对驱动信号造成的负压尖峰，降低了由于栅源极负压超过限定值造成SiC器件损坏的风险。

Description

一种SiC MOSFET半桥电路驱动器以及半桥电路驱动方法

技术领域

本发明涉及一种具有负压关断的一种SiC MOSFET半桥电路驱动器及半桥电路驱动方法。

背景技术

SiC材料作为一种宽带隙半导体材料，具有禁带宽带大、击穿电压高、热导率高等良好的物理化学性质。近几年，随着SiC材料的日益成熟，SiC器件在电力电子领域的应用已经引起了广泛的关注。其中，SiC MOSFET以其高耐压和高开关频率受到了研究者的青睐。由于SiC MOSFET固有的特性，因此其驱动电路的设计较Si材料MOSFET有所不同。一方面，为了提高器件的开关频率，减小关断时间，驱动的设计需要考虑负压，另一方面，SiC MOSFET的栅源极所能承受的负压较小，因此负电压不能超出其最大负压值。此外，由于常规的两电平逆变器均是以半桥电路单元为基础的，因此半桥电路两个开关管寄生参数在高dv/dt条件下的相互影响即串扰也不容忽视。

目前，大部分驱动器的设计都是在原有Si MOSFET驱动器的基础上加入了负压电源，从而增大了设计成本，而且没有考虑半桥电路串扰对驱动信号的影响，导致栅源极负压尖峰超出了SiC MOSFET所能承受的最大范围。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种具有负压关断的SiC MOSFET半桥电路驱动器以及半桥电路驱动方法，该结构通过无源器件的使用产生负压，降低了成本；同时，在不影响主电路开关管开关速度的前提下，消除半桥电路串扰带给驱动信号的负向电压尖峰。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种SiC MOSFET半桥电路驱动器，包括：负压产生电路和消除串扰电路；所述负压产生电路和消除串扰电路串联连接，所述消除串扰电路包括MOSFET开关管以及与所述MOSFET开关管串联连接的RC并联电路二，所述RC并联电路二包括并联连接的电阻R2和电容C2。

所述负压产生电路包括：电源、三极管Su、三极管Sd以及RC并联电路一；所述三极管Su和三极管Sd推挽连接，并串接在所述电源的两端，RC并联电路一的一端连接在三极管Su和三极管Sd之间、另一端与消除串扰电路连接；所述RC并联电路一包括并联连接的电阻R1和电容C1。

所述三极管Su导通时，三极管Sd截止；三极管Su截止时，三极管Sd导通。

一种应用所述驱动器的SiC MOSFET半桥电路，包括：上桥臂驱动器以及与其连接的SiCMOSFET半桥电路上桥臂、下桥臂驱动器以及与其连接的SiC MOSFET半桥电路下桥臂；SiCMOSFET半桥电路上桥臂和下桥臂串联连接；

所述上桥臂驱动器包括：三极管SHu和三极管SHd推挽连接，并串接在电源VH的两端，电阻R1_H和电容C1_H组成的并联电路一端连接在三极管SHu和三极管SHd之间、另一端分成两路，其中一路连接SiC MOSFET半桥电路上桥臂，另一路依次串联第一MOSFET开关管和电阻R2_H与电容C2_H组成的并联回路；

所述下桥臂驱动器包括：三极管SLu和三极管SLd推挽连接，并串接在电源VL的两端，电阻R1_L和电容C1_L组成的并联电路一端连接在三极管SLu和三极管SLd之间、另一端分成两路，其中一路连接SiC MOSFET半桥电路下桥臂，另一路依次串联第二MOSFET开关管和电阻R2_L与电容C2_L组成的并联回路。

一种SiC MOSFET半桥电路的驱动方法，包括：

t0～t1时段内，开关管SHu和开关管SLu导通，开关管SHd、开关管SHa、开关管SLd、开关管SLa关断，电容C1_H、C2_H、C1_L、C2_L进行预充电，C1_H、C1_L用以提供负压，其电压通过对R1_H、R2_H、R1_L、R2_L值的设定进行调节；

t1～t2时段内，开关管SHu、SLu关断，开关管SHd、SLd导通，电容C1_H、C1_L为SiCMOSFET半桥电路上、下桥臂提供负压；

t2时刻，开关管SHu导通，SHd关断，使SiC MOSFET半桥电路上桥臂开始导通，开关管SHa和SLa始终处于关断状态，由于开关管SHa的寄生电容较小，不会影响上桥臂开关管的导通速度；

t3～t4时段内，开关管SHu导通，SHd关断，上桥臂导通、下桥臂关断，电容C1_L继续为下管提供负压；

t4～t5时段内，开关管SHd、SLd、SLa导通，其余开关管关断，上桥臂开始关断，t5时刻，上桥臂完全关断，开关管SLa关断；

t5～t6时段内，开关管SHd、SLd导通，其余开关管关断，上桥臂和下桥臂均处于关断状态，等待下一开关周期的到来。

本发明的有益效果是：

本发明驱动电路通过无源器件产生负压，减少了负压电源的使用，节约了成本；同时，有效的解决了半桥单元串扰对驱动信号造成的负压尖峰，降低了由于栅源极负压超过限定值造成SiC器件损坏的风险。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为本发明的功能检测电路；

图3为本发明驱动信号逻辑图；

图4(a)-(f)分别为各时段电路工作等效图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

本发明SiC MOSFET半桥电路驱动器的拓扑结构如图1所示，包括：负压产生电路和消除串扰电路；所述负压产生电路和消除串扰电路串联连接，所述消除串扰电路包括MOSFET开关管以及与所述MOSFET开关管串联连接的RC并联电路二，所述RC并联电路二包括并联连接的电阻R2和电容C2。

负压产生电路包括：电源、三极管Su、三极管Sd以及RC并联电路一；所述三极管Su和三极管Sd推挽连接，并串接在所述电源的两端，RC并联电路一的一端连接在三极管Su和三极管Sd之间、另一端与消除串扰电路连接；所述RC并联电路一包括并联连接的电阻R1和电容C1。

两个三极管Su、Sd为推挽式连接，电阻R1、R2起分压作用，C1用于产生负压，Sa、C2用于消除半桥电路串扰对驱动信号的影响。

如图2所示为本发明应用于半桥电路示意图。包括：上桥臂驱动器以及与其连接的SiCMOSFET半桥电路上桥臂、下桥臂驱动器以及与其连接的SiC MOSFET半桥电路下桥臂；SiCMOSFET半桥电路上桥臂和下桥臂串联连接；

上桥臂驱动器包括：三极管SHu和三极管SHd推挽连接，并串接在电源VH的两端，电阻R1_H和电容C1_H组成的并联电路一端连接在三极管SHu和三极管SHd之间、另一端分成两路，其中一路连接SiC MOSFET半桥电路上桥臂，另一路依次串联第一MOSFET开关管和电阻R2_H与电容C2_H组成的并联回路；

下桥臂驱动器包括：三极管SLu和三极管SLd推挽连接，并串接在电源VL的两端，电阻R1_L和电容C1_L组成的并联电路一端连接在三极管SLu和三极管SLd之间、另一端分成两路，其中一路连接SiC MOSFET半桥电路下桥臂，另一路依次串联第二MOSFET开关管和电阻R2_L与电容C2_L组成的并联回路。

下面结合图3的驱动信号逻辑详细说明该驱动电路较以往MOSFET驱动的优势所在。

在t0～t1时段内，如图4(a)所示，开关管SHu和开关管SLu导通，开关管SHd、开关管SHa、开关管SLd、开关管SLa关断，电容C1_H、C2_H、C1_L、C2_L进行预充电，C1_H、C1_L用以提供负压，其电压可通过对R1_H、R2_H、R1_L、R2_L值的设定进行调节。

t1～t2时段为初始化阶段，如图4(b)所示，开关管SHu、SLu关断，开关管SHd、SLd导通，电容C1_H、C1_L为主电路上、下桥臂SiC MOSFET的栅源极提供负压，使两开关管处于关断状态并给主电路上电。

在t2～t3时段内，如图4(c)所示，t2时刻开关管SHu导通，SHd关断，使SiC MOSFET半桥电路上桥臂开始导通，辅助开关管SHa和SLa始终处于关断状态，由于开关管SHa的寄生电容较小，因此不会影响上桥臂开关管的导通速度。对于普通的驱动器，由于串扰作用，下桥臂会在Cgs_L上产生一个正向尖峰，造成半桥电路下桥臂的误导通，本发明从两个方面避免这一情况的发生，一方面通过SLa和C2_L支路使正向尖峰削减，另一方面C1_L提供负压也可降低下桥臂误导通的几率，至t3时刻上桥臂完全导通。

t3～t4时段，如图4(d)所示，该时段开关管SHu导通，SHd关断，上桥臂导通、下桥臂关断，电容C1_L继续为下管提供负压，至t4时刻上桥臂开始关断。

t4～t5时段，如图4(e)所示，t4时刻由于电感的续流作用，下半桥臂的驱动信号会产生一个负向尖峰，该信号与驱动自身的负压信号叠加极易使负压超过限定值，造成SiCMOSFET的损伤。本发明通过闭合开关管SLa，由于C2_L的容值大于Cgs_L的容值，因此可提供一个低阻抗回路，从而消除负压尖峰对MOSFET的影响。此时段开关管SHd、SLd、SLa导通，其余开关管关断。

t5～t6时段内，如图4(f)所示，开关管SHd、SLd导通，其余开关管关断。上桥臂和下桥臂均处于关断状态，等待下一开关周期的到来。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种应用SiC MOSFET半桥电路驱动器的SiC MOSFET半桥电路，其特征是，SiCMOSFET半桥电路驱动器包括：负压产生电路和消除串扰电路；所述负压产生电路和消除串扰电路串联连接，所述消除串扰电路包括MOSFET开关管以及与所述MOSFET开关管串联连接的RC并联电路二，所述RC并联电路二包括并联连接的电阻R2和电容C2；

所述SiC MOSFET半桥电路包括：上桥臂驱动器以及与其连接的SiC MOSFET半桥电路上桥臂、下桥臂驱动器以及与其连接的SiC MOSFET半桥电路下桥臂；SiC MOSFET半桥电路上桥臂和下桥臂串联连接；

所述上桥臂驱动器包括：三极管SHu和三极管SHd推挽连接，并串接在电源VH的两端，电阻R1_H和电容C1_H组成的并联电路一端连接在三极管SHu和三极管SHd之间、另一端分成两路，其中一路连接SiC MOSFET半桥电路上桥臂，另一路依次串联第一MOSFET开关管和电阻R2_H与电容C2_H组成的并联回路；

所述下桥臂驱动器包括：三极管SLu和三极管SLd推挽连接，并串接在电源VL的两端，电阻R1_L和电容C1_L组成的并联电路一端连接在三极管SLu和三极管SLd之间、另一端分成两路，其中一路连接SiC MOSFET半桥电路下桥臂，另一路依次串联第二MOSFET开关管和电阻R2_L与电容C2_L组成的并联回路。

2.一种如权利要求1所述的SiC MOSFET半桥电路的驱动方法，其特征是，包括：

t0～t1时段内，开关管SHu和开关管SLu导通，开关管SHd、开关管SHa、开关管SLd、开关管SLa关断，电容C1_H、C2_H、C1_L、C2_L进行预充电，C1_H、C1_L用以提供负压，其电压通过对R1_H、R2_H、R1_L、R2_L值的设定进行调节；

t1～t2时段内，开关管SHu、SLu关断，开关管SHd、SLd导通，电容C1_H、C1_L为SiCMOSFET半桥电路上、下桥臂提供负压；

t2时刻，开关管SHu导通，SHd关断，使SiC MOSFET半桥电路上桥臂开始导通，开关管SHa和SLa始终处于关断状态，由于开关管SHa的寄生电容较小，不会影响上桥臂开关管的导通速度；

t3～t4时段内，开关管SHu导通，SHd关断，上桥臂导通、下桥臂关断，电容C1_L继续为下管提供负压；

t4～t5时段内，开关管SHd、SLd、SLa导通，其余开关管关断，上桥臂开始关断，t5时刻，上桥臂完全关断，开关管SLa关断；

t5～t6时段内，开关管SHd、SLd导通，其余开关管关断，上桥臂和下桥臂均处于关断状态，等待下一开关周期的到来。