CN106571795A - 基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路及其控制方法，SiC BJT比例驱动电路包括稳态低损驱动电路、动态快速开关电路以及反馈控制电路。控制方法中，稳态基极驱动电流的确定由集电极电流的大小和碳化硅双极性晶体管的结温共同确定，通过实时反馈来动态改变稳态基极驱动电流的大小。与现有的比例驱动电路相比，本发明方案结合了SiC BJT的器件特性，考虑了温度对SiC BJT电流增益的影响，从而能够合理设置基极驱动电流裕量，降低稳态驱动损耗。

Description

基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路及其控制方法，属于电力电子控制技术领域。

背景技术

随着碳化硅功率器件的兴起，双极型晶体管重新获得了业内研发者的关注。SiCBJT具有导通电阻低、开关速度快、耐高温、易于并联等优势，是一种非常有前景的高压大电流功率器件。

但SiC BJT为电流型功率器件，需要稳态电流来维持其导通状态。减小驱动损耗是SiC BJT的一个重要应用瓶颈，而在驱动损耗中稳态导通时的损耗占总驱动损耗的比例最大。有学者将6A SiC BJT功率管应用于2kW boost变换器中进行测试，发现在开关频率为50kHz时，稳态损耗占总驱动损耗的75％；当开关频率为100kHz时，稳态损耗占总驱动损耗的63％；当开关频率为200kHz时，稳态损耗占总驱动损耗的47％。因此，为了减小稳态驱动损耗，相关文献中采用比例驱动的方式进行功率管的驱动。

比例驱动即基极驱动电流的大小随控制量动态改变。达林顿连接和变压器法为早期适用于SiC BJT的两种典型驱动方法，但由于器件性能差异，当这两种方法使用在SiCBJT场合时会出现很多问题。达林顿接法中开关管的导通压降将会增大将近3V，变压器方案会在驱动回路中引入寄生电感，在大电流高速开关的应用场合将引起电压突变，对其开关性能有很大的影响。图1所示为现有改进的比例驱动方案，该驱动将一系列并联电阻与开关串联。每一个电阻都与一个开关串联，这样就能通过控制开关的闭合与打开来控制驱动电阻的大小，从而实现控制基极驱动电流大小的目的。

以上的驱动方式均是从集电极电流对基极电流驱动影响的角度出发，并未考虑温度对SiC BJT的影响。SiC BJT的电流增益为负温度特性，以GeneSiC公司型号为GA06JT12-247的SiC BJT为例。图2为该功率管的电流增益与结温的关系曲线，在结温为25℃时电流增益约为59，当结温上升到175℃时，电流增益降为35。为了确保在不同温度下SiC BJT能够维持导通，基极驱动电流的确定通常是取最大结温下对应的电流增益。然而，在很多应用场合，这样的设置驱动电流裕量较大，带来很多不必要的驱动损耗。

因此，需要寻求一种考虑结温影响的比例驱动方案，使基极的驱动电流可以动态的随结温和集电极电流动态改变，合理设置驱动电流裕量，降低驱动损耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路及其控制方法，不仅可以通过集电极电流控制基极驱动电流大小，而且可以通过结温控制驱动电流，使驱动电流维持在较小的安全裕量范围内，降低稳态驱动损耗。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路，包括动态快速开关电路、稳态低损驱动电路以及反馈控制电路；所述动态快速开关电路的输入端接高压电源，输出端接SiCBJT基极；稳态低损驱动电路的输入端接低压电源，输出端接SiC BJT基极；反馈控制电路的输入端分别接SiC BJT集电极电流和结温测量点，输出端接稳态低损驱动电路。

作为本发明电路的一种优选方案，所述动态快速开关电路包括高压侧第一开关管、高压侧第二开关管、电阻、储能电容；所述高压侧第一开关管一端接高压电源，另一端分别接高压侧第二开关管的一端、电阻一端；电阻另一端接储能电容一端，储能电容另一端接SiC BJT基极；高压侧第二开关管的另一端接高压电源的地。

作为本发明电路的一种优选方案，所述稳态低损驱动电路包括并联可调开关管和电阻电路网络、低压侧第一开关管、低压侧第二开关管、防反流二极管；所述并联可调开关管和电阻电路网络包括多个并联的支路，每个支路由一个稳态电阻和一个开关串联而成；各稳态电阻的另一端接低压电源，各开关的另一端接低压侧第一开关管的一端，各开关的导通或关断由反馈控制电路控制；低压侧第一开关管的另一端分别接防反流二极管的阳极、低压侧第二开关管的一端；低压侧第二开关管的另一端接低压电源的地；防反流二极管的阴极分别接储能电容的另一端、SiC BJT基极。

基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路的控制方法，所述控制方法具体如下：在反馈控制电路中预先设置SiC BJT的电流增益与其结温和集电极电流之间的关系表；实时采样SiC BJT的集电极电流和结温，将集电极电流信号和结温信号转为电信号并反馈到反馈控制电路，计算出实时的电流增益，根据电流增益从上述关系表中确定开关管的导通数量，实时调节稳态基极驱动电流的大小。

作为本发明方法的一种优选方案，所述控制方法的具体步骤如下：

在SiC BJT开通的瞬间：闭合高压侧第一开关管，由动态快速开关电路提供SiCBJT导通的基极电流；

在SiC BJT开通后：闭合低压侧第一开关管，由并联可调开关管和电阻电路网络向SiC BJT提供稳态基极驱动电流；

在SiC BJT关断时：关断高压侧第一开关管、低压侧第一开关管，闭合高压侧第二开关管，储能电容经过电阻以及高压侧第二开关管进行放电。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提出一种基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路，导通和关断瞬态的驱动电流由动态快速开关电路产生，保证了双极性晶体管的高开关速度；稳态导通驱动电流由稳态低损驱动电路产生，降低稳态驱动损耗。

2、本发明能够在高速开关前提下，结合碳化硅双极性晶体管的电流增益特性，稳态基极驱动电流由集电极电流和结温反馈共同控制，动态调整稳态基极驱动电流的大小，使驱动电流维持在较小的安全裕量范围内，减小稳态驱动损耗。

附图说明

图1是本发明的背景技术中成比例驱动的双电源驱动电路图。

图2是本发明的背景技术中SiC BJT功率管的电流增益与结温的关系曲线图。

图3是本发明基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路图。

图4是本发明的具体实施方案中成比例控制开关管导通数量表。

图5是本发明的具体实施方案中开关管的开关时序图。

图6是本发明的具体实施方案中SiC BJT理想基极驱动电流图。

其中，V_CCL为低压电源；R_B1、R_B2、…、R_Bn、R_BH均为稳态电阻；R_SW1、R_SW2、…、R_SWn均为开关；S_1L、S_2L分别为低压侧第一、第二开关管；D₁为防反流二极管；V_CCH为高压电源；S_1H、S_2H分别为高压侧第一、第二开关管；C_BH为储能电容；B、C、E分别为SiC BJT的基极、集电极、发射极。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

基于结温和集电极电流反馈的SiC BJT比例驱动电路，包括：动态快速开关电路、稳态低损驱动电路以及反馈控制电路。动态快速开关电路一端接高压电源，另一端接碳化硅双极性晶体管基极。稳态低损驱动电路一端接低压电源，另一端接碳化硅双极性晶体管基极，稳态低损驱动电路还包括并联可调开关管和电阻电路网络，由多个串联的开关和电阻支路并联组成。反馈控制电路输入端接碳化硅双极性晶体管集电极和结温测量点、输出端接并联可调开关管和电阻电路网络。驱动电路采用高压快速开通支路与低压比例驱动电路相结合的双电源供电形式，可同时满足驱动损耗小和开关速度快的要求。

由高压侧第一、第二开关管S_1H、S_2H，储能电容C_BH和电阻R_BH构成的动态快速开关电路如图3所示：高压侧第一开关管S_1H一端接高压电源V_CCH，高压侧第一开关管S_1H另一端与高压侧第二开关管S_2H一端、电阻R_BH一端相连，电阻R_BH另一端与储能电容C_BH一极连接，高压侧第二开关管S_2H另一端接地，储能电容C_BH另一极接碳化硅双极性晶体管(SiC BJT)基极。

由低压侧第一、第二开关管S_1L、S_2L，防反流二极管D₁，并联可调开关管和电阻电路网络R_B1、R_B2、…、R_Bn，R_SW1、R_SW2、…、R_SWn构成的稳态低损驱动电路如图3所示：低压侧第一开关管S_1L一端接并联可调开关管和电阻电路网络的输出，另一端与低压侧第二开关管S_2L一端、防反流二极管D₁阳极相连，防反流二极管D₁阴极与储能电容C_BH一端、碳化硅双极性晶体管基极相连接。

其中并联可调开关管和电阻电路网络由R_Bi和R_SWi组成的串联支路并联而成，其中i为并联支路个数，取值范围为1～n，n的取值根据需要的离散精度确定，本发明以n＝7为例进行说明，即稳态基极驱动电流总共有8个等级。

图5所示为基于结温和集电极电流反馈的成比例驱动电路的开关时序图，图中n代表成比例驱动网络中导通开关管的数量，驱动电路的工作原理为：

SiC BJT开通瞬间，闭合高压侧第一开关管S_1H，采用高压电源V_CCH为驱动电路供电，给SiC BJT提供如图6所示的正向脉冲电流，使SiC BJT迅速开通，I_B(m)为SiC BJT开通时的最大脉冲电流值，I_B(av)为SiC BJT导通状态时的平均电流；防反流二极管D₁在开关S_1H闭合的瞬间防止反流进入稳态低损回路。

SiC BJT开通后，闭合低压侧第一开关管S_1L，使用由低压侧第一开关管S_1L、续流二极管D₁和并联可调开关管和电阻电路网络成比例提供稳态基极驱动电流，导通开关管的数量由反馈控制电路确定。反馈电路通过采样得到的集电极电流和结温信号，根据图4表格确定导通数量，实现调节基极电流的目的，减小基极稳态驱动损耗。

SiC BJT关断时，高压侧第一开关管S_1H、低压侧第一开关管S_1L断开，高压侧第二开关管S_2H、低压侧第二开关管S_2L闭合，SiC BJT基极电流通过高压侧第二开关管S_2H迅速减小到零，加速电容放电，加快关断速度，减小关断损耗。储能电容C_BH上电压通过高压侧第二开关管S_2H降至零。

其中，反馈控制电路可以采用DSP实现，首先根据所选取的碳化硅双极性晶体管电流增益特性制定并联可调开关管导通表，如图4所示，表中设置了集电极电流的上限值和结温的上限值。在DSP中控制电路根据反馈得到的碳化硅双极性晶体管集电极电流I_C和结温T_j信号，计算出实时的电流增益，通过查表确定并联可调开关管中需要导通的开关管数量，表中数字均代表二进制，000代表都不导通，111代表导通7个开关管。

可见，在SiC BJT开通时，采用高压电源V_CCH供电以提供较大的脉冲电流，加速开通过程；在SiC BJT稳态导通时采用低压电源V_CCL通过结温反馈和集电极电流反馈控制开关管导通的数量，动态改变碳化硅双极性晶体管基极的稳态导通电流。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1. 基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路，其特征在于，包括动态快速开关电路、稳态低损驱动电路以及反馈控制电路；所述动态快速开关电路的输入端接高压电源，输出端接SiC BJT基极；稳态低损驱动电路的输入端接低压电源，输出端接SiC BJT基极；反馈控制电路的输入端分别接SiC BJT集电极电流和结温测量点，输出端接稳态低损驱动电路。

2.根据权利要求1所述基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路，其特征在于，所述动态快速开关电路包括高压侧第一开关管、高压侧第二开关管、电阻、储能电容；所述高压侧第一开关管一端接高压电源，另一端分别接高压侧第二开关管的一端、电阻一端；电阻另一端接储能电容一端，储能电容另一端接SiC BJT基极；高压侧第二开关管的另一端接高压电源的地。

3.根据权利要求2所述基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路，其特征在于，所述稳态低损驱动电路包括并联可调开关管和电阻电路网络、低压侧第一开关管、低压侧第二开关管、防反流二极管；所述并联可调开关管和电阻电路网络包括多个并联的支路，每个支路由一个稳态电阻和一个开关串联而成；各稳态电阻的另一端接低压电源，各开关的另一端接低压侧第一开关管的一端，各开关的导通或关断由反馈控制电路控制；低压侧第一开关管的另一端分别接防反流二极管的阳极、低压侧第二开关管的一端；低压侧第二开关管的另一端接低压电源的地；防反流二极管的阴极分别接储能电容的另一端、SiC BJT基极。

4.基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法具体如下：在反馈控制电路中预先设置SiC BJT的电流增益与其结温和集电极电流之间的关系表；实时采样SiC BJT的集电极电流和结温，将集电极电流信号和结温信号转为电信号并反馈到反馈控制电路，计算出实时的电流增益，根据电流增益从上述关系表中确定开关管的导通数量，实时调节稳态基极驱动电流的大小。

5.根据权利要求4所述基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法的具体步骤如下：

在SiC BJT开通的瞬间：闭合高压侧第一开关管，由动态快速开关电路提供SiC BJT导通的基极电流；

在SiC BJT开通后：闭合低压侧第一开关管，由并联可调开关管和电阻电路网络向SiCBJT提供稳态基极驱动电流；

在SiC BJT关断时：关断高压侧第一开关管、低压侧第一开关管，闭合高压侧第二开关管，储能电容经过电阻以及高压侧第二开关管进行放电。