CN106712474A - 适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路及其控制方法，属于电力电子电路的技术领域。该驱动电路包括：高压快速开关支路、低压驱动电路。该驱动电路的控制方法，采用在晶体管开通时采用高压电源供电以提供较大的脉冲电流，加速开通过程；在晶体管稳态导通时采用低压电源供电以提供较小的驱动电流；在晶体管关断时，保持低压电源支路开路状态，采用高压快速开关支路放电。本发明的驱动电路可以消除关断时刻的反流现象，减小驱动损耗，充分发挥双电源驱动电路的优势。

Description

适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路及其控制方法
技术领域
本发明公开了一种适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路及其控制方法，属于电力电子电路的技术领域。
背景技术
在各种碳化硅(SiC)功率开关器件中，双极性晶体管(BJT)是一种非常具有前景的器件。与硅双极性晶体管相比，碳化硅双极性晶体管(SiC BJT)不受到二次击穿等问题限制。和其他两种碳化硅功率开关器件(JFET和MOSFET)比较起来，其没有JFET器件的栅极驱动的问题，抑或MOSFET氧化层界面稳定性和沟道迁移率的问题。
然而，由于SiC BJT是电流型功率器件，需要驱动电路提供持续的基极电流维持其导通，驱动损耗较大。因此高速低损耗的驱动电路设计是SiC BJT应用的一个重要研究方向。目前文献中针对SiC BJT给出的驱动方式有三种：单电源驱动、双电源驱动和离散型双电源驱动。
单电源驱动电路，电路结构较简单，但该驱动电路很难同时实现高速开关和低驱动损耗的要求，在对驱动性能要求较高的场合不适应；离散型双电源驱动是对双电源驱动的优化，但该电路的电阻和开关数量过多，会增大驱动电路损耗，且此时的基极电流是有级的不连续的。开关数量的增多也会导致电路结构和控制方法变得复杂。
图1所示的双电源驱动电路，双电源驱动是采用高压电源和低压电源对驱动电路供电。经低压侧开关管SL1、SL2组成的串联支路接在低压电源VCCL与地之间，基极电阻RB接在串联支路中点和SiC BJT基极之间，高压侧第一开关管SH1、高压侧第二开关管SH2组成的串联支路接在高压电源VCCH与地之间，阻尼电阻RBH、加速电容CBH组成的支路接在串联支路中点与SiC BJT基极之间。关断SiC BJT管时，由于电容CBH两端电位不能突变，所以基极电位由于电容钳位突变到很低，其关断时刻电位如公式(1)所示，此时反电流二极管D1正向偏置导通，基极电阻两端电压此时为公式(2)，基极电阻流过较大的电流脉冲，关断时刻的驱动电路的电流路径如图2所示，其中虚线是指反向电流脉冲，该电流较大，会引起较大的驱动损耗，图3为一个开关周期内基极电阻电流和损耗的仿真波形，IRB为基极电阻电流，PRB为基极电阻功率。
VB＝-(VOH-VBE) (1)
VRB＝-VB＝VOH-VBE (2)
其中：VB为碳化硅双极性晶体管的基极电位；VOH为高压电源电压；VBE为碳化硅双极性晶体管的基射极导通压降；VRB为基极电阻两端压降；
因此，需要寻求一种能够抑制反向电流的SiC BJT双电源驱动电路，来减小驱动损耗，以期实现开关管快速开关和低驱动损耗的目标。
发明内容
本发明提供了一种适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路及其控制方法，针对双电源驱动电路存在的反流问题，对双电源驱动电路进行改进，使反流问题得到抑制，降低驱动损耗。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路，包括：高压快速开关支路和低压驱动电路，其中高压快速开通支路一端接高压电源，另一端接碳化硅双极性晶体管基极和低压驱动电路的输出端；低压驱动电路的输入端接低压电源。
所述高压快速开关支路包括：高压侧第一开关管SH1、高压侧第二开关管SH2、阻尼电阻RBH、加速电容CBH；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和阻尼电阻RBH的一端；阻尼电阻RBH的另一端接加速电容CBH的一端，加速电容CBH另一端接SiC BJT基极；高压侧第二开关管SH2的另一端接高压电源的地。
所述低压驱动电路包括：低压侧开关管SL1、基极电阻RB、防反流二极管D1；所述低压侧开关管SL1一端接低压电源正极，另一端与基极电阻RB一端相连；基极电阻RB另一端接防反流二极管D1阳极；防反流二极管D1阴极接碳化硅双极性晶体管基极。
适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路的控制方法，包括如下步骤：
(1)碳化硅双极性晶体管开通瞬间：闭合高压侧第一开关管SH1和低压侧开关管SL1，由高压快速开通支路提供碳化硅双极性晶体管导通的基极电流；
(2)碳化硅双极性晶体管开通后：由低压驱动电路向碳化硅双极性晶体管提供基极电流；
(3)碳化硅双极性晶体管关断时：关断高压侧第一开关管SH1、低压侧开关管SL1，闭合高压侧第二开关管SH2，加速电容CBH经过阻尼电阻RBH以及高压侧第二开关管SH2放电。
本发明具有以下有益效果：
(1)电路采用高压快速开通支路与低压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。
(2)低压驱动电路只采用一个开关管，在关断时可以防止反电流回路的出现，减小关断驱动损耗，且驱动电路更简单。
附图说明
图1是本发明的背景技术中双电源驱动电路。
图2是本发明的背景技术中晶体管关断期间双电源驱动电路的电流路径图。
图3是本发明的背景技术中双电源驱动电路基极电阻电流和损耗仿真波形图。
图4是本发明中防反流双电源驱动电路的电路拓扑图。
图5是本发明中防反流双电源驱动电路的仿真验证电路图。
图6是本发明中防反流双电源驱动电路的开关时序图。
图7是本发明中防反流双电源驱动电路[t1,t2]时段的模态图。
图8是本发明中防反流双电源驱动电路[t2,t3]时段的模态图。
图9是本发明中防反流双电源驱动电路[t3,t4]时段的模态图。
图10是本发明中防反流双电源驱动电路一个开关周期内的仿真波形。
图中标号说明：SH1、SH2为高压侧开关管；SL1、SL2为低压侧开关管；RB、RBH为电阻；CBH为加速电容；D1为防反流二极管；VDC为主功率电路电源；Rload为主功率电路阻性负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
一种适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路，包括：高压快速开关支路、低压驱动电路。高压快速开关支路的一端接高压电源，另一端接碳化硅双极性晶体管基极；低压驱动电路的输入端接低压电源，输出端接碳化硅双极性晶体管基极。驱动电路采用高压快速开关支路与低压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，且由于SiC BJT关断时低压驱动电路开路，驱动电路不存在反流问题。
具体的，驱动电路如图4所示，高压快速开通支路由高压侧第一开关管SH1、高压侧第二开关管SH2、阻尼电阻RBH、加速电容CBH组成，低压驱动电路由低压侧开关管SL1、基极电阻RB、防反流二极管D1组成。
图5为驱动损耗测试电路，损耗通过LTSPICE仿真软件进行验证，SiC BJT模型是型号为GA06JT12-247、额定值为1200V/6A的功率管。电路主要参数如表1所示：
表1仿真电路参数
所述适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路的开关时序图如图6所示，驱动电路工作过程如下：
如图7所示，在碳化硅双极性晶体管开通的瞬间：闭合高压侧第一开关管SH1和低压侧开关管SL1，由高压快速开通支路提供脉冲电流加速碳化硅双极性晶体管的导通。
如图8所示，在碳化硅双极性晶体管开通后：由低压驱动电路向碳化硅双极性晶体管提供基极电流。
如图9所示在碳化硅双极性晶体管关断时：关断高压侧第一开关管SH1、低压侧开关管SL1，闭合高压侧第二开关管SH2，加速电容CBH经过阻尼电阻RBH以及高压侧第二开关管SH2放电。
图10为适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路的仿真结果，和图3相比，关断时刻基极电阻两端不存在反流脉冲，关断时刻电流由1.5A降为0.15A，由此证明了本发明可以有效的抑制关断时刻存在的反流问题，降低驱动损耗。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路，其特征在于，包括：高压快速开关支路和低压驱动电路，其中高压快速开通支路一端接高压电源，另一端接碳化硅双极性晶体管基极和低压驱动电路的输出端；低压驱动电路的输入端接低压电源。
2.根据权利要求1所述的适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路，其特征在于，所述高压快速开关支路包括：高压侧第一开关管、高压侧第二开关管、阻尼电阻、加速电容；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和阻尼电阻的一端；阻尼电阻的另一端接加速电容的一端，加速电容另一端接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1所述的适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路，其特征在于，所述低压驱动电路包括：低压侧开关管、基极电阻、防反流二极管；所述低压侧开关管一端接低压电源正极，另一端与基极电阻一端相连；基极电阻另一端接防反流二极管阳极；防反流二极管阴极接碳化硅双极性晶体管基极。
4.根据权利要求1所述的适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤： （1）碳化硅双极性晶体管开通瞬间：闭合高压侧第一开关管和低压侧开关管，由高压快速开通支路提供碳化硅双极性晶体管导通的基极电流；
（2）碳化硅双极性晶体管开通后：由低压驱动电路向碳化硅双极性晶体管提供基极电流；
（3）碳化硅双极性晶体管关断时：关断高压侧第一开关管、低压侧开关管，闭合高压侧第二开关管，加速电容经过阻尼电阻以及高压侧第二开关管放电。
5.根据权利要求4所述的适用于SiC BJT的防反流双电源驱动电路的控制方法，其特征在于，步骤（3）中碳化硅双极性晶体管关断时，所述低压侧开关管关断，低压支路处于开路状态。
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