CN108233684A - 一种SiC MOSFET的栅极串扰抑制电路及驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SiC MOSFET的栅极串扰抑制电路及其驱动电路，所述栅极串扰抑制电路用于基于SiC MOSFET的桥式变换器中，连接于所述SiC MOSFET的栅极、源极以及所述SiC MOSFET驱动电路之间，并且包括基于三极管的负电压纹波抑制电路和基于MOS管的防直通电路；所述负电压纹波抑制电路用于抑制所述SiC MOSFET的栅极和源极之间的负电压，所述防直通电路用于防止所述桥式变换器的桥臂之间相互直通。

Description

一种SiC MOSFET的栅极串扰抑制电路及驱动电路
技术领域
本发明涉及电力电子驱动技术领域，具体涉及一种SiC MOSFET的栅极串扰抑制电路及其驱动电路。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，电动汽车、石油钻井等诸多领域对电力电子变换器提出了更高的要求，需要其能够在高温环境下可靠工作。而新型SiC功率器件具有禁带宽带大、击穿电压高以及热导率高等良好的特性，这为高温电力电子变换器的设计提供了可能。此外，由于SiC MOSFET固有的特性，其驱动电路的设计较Si材料MOSFET有所不同，主要表现在：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，负电压不能超出其最大负压值。因此，尽管SiC器件具有高速开关能力，但这却需要较好的负压抑制电路来保证。
桥臂电路是各类桥式电力电子变换器中的基本单元，若驱动和保护电路设计不合理，很容易发生直通故障，导致开关管产生额外的功率损耗，严重时甚至损坏器件，使电路无法正常工作。在快速开关瞬态，高dv/dt(电压变化率)与器件的寄生参数相互作用会使栅源极电压产生振荡，即串扰问题，易导致器件误开通，发生桥臂直通故障。
目前，大部分驱动电路的设计都是在原有的Si MOSFET驱动电路的基础上加入负压电源，但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SiCMOSFET所能承受的负压范围。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种SiC MOSFET的栅极串扰抑制电路，在防止负压超过SiCMOSFET的承受范围的同时，还能防止桥式电路的桥臂变换电路之间的串扰，避免SiCMOSFET的误开通，从而达到抑制SiC MOSFET的栅极串扰问题的目的。
本发明为达上述目的所提出的技术方案如下：
一种SiC MOSFET的栅极串扰抑制电路，用于基于SiC MOSFET的桥式变换器中，连接于所述SiC MOSFET的栅极、源极以及所述SiC MOSFET的驱动单元之间，并且包括基于三极管的负电压纹波抑制电路和基于MOS管的防直通电路；所述负电压纹波抑制电路用于抑制所述SiC MOSFET的栅极和源极之间的负电压，所述防直通电路用于防止所述桥式变换器的桥臂之间相互直通。
更进一步地，所述负电压纹波抑制电路包括一三极管、连接于所述三极管的集电极的第一电容以及连接于发射极和基极之间的第一电阻，其中，连接于所述集电极的第一电容的另一端连接至所述SiC MOSFET的栅极，所述发射极连接至所述SiC MOSFET的源极，所述基极连接至所述SiC MOSFET的驱动单元的GND端；所述防直通电路包括一MOS管和连接于所述MOS管的栅极的第二电阻，其中，连接于所述MOS管的栅极的第二电阻的另一端连接至所述驱动单元，所述MOS管的源极连接至所述GND端，所述MOS管的漏极同时连接至所述SiC MOSFET的栅极以及所述驱动单元的门极开通电阻和门极关断电阻。
其中，所述门极开通电阻和所述门极关断电阻分别用于设置SiC MOSFET的开通速度和关断速度。所述三极管优选地为PNP三极管。所述第一电容的容值大于SiC MOSFET内的栅源电容的容值。
本发明另还提供了一种SiC MOSFET的驱动电路，包括前述的栅极串扰抑制电路。
本发明前述提供的技术方案，通过简单的电路就可以实现基于SiC MOSFET的桥式变换器中桥臂串扰的抑制，有效的抑制了桥臂直通情况的发生，简捷方便，安全可靠，节约成本。
附图说明
图1是本发明一具体实施例提供的基于SiC MOSFET的半桥式变换器的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
本发明的具体实施方式提供了一种SiC MOSFET的栅极串扰抑制电路，该栅极串扰抑制电路可用于基于SiC MOSFET的桥式变换器中，桥式变换器例如可以是全桥或半桥，其中半桥式变换器由两个桥臂变换电路(“桥臂变换电路”可简称“桥臂”)。在每一桥臂中，都配置有一个同样的栅极串扰抑制电路，所述栅极串扰抑制电路连接于所述SiC MOSFET的栅极、源极以及所述SiC MOSFET的驱动单元之间，并且，所述栅极串扰抑制电路包括基于三极管的负电压纹波抑制电路和基于MOS管的防直通电路；所述负电压纹波抑制电路用于抑制所述SiC MOSFET的栅极和源极之间的负电压，防止超过SiC MOSFET的栅源可承受负压(等同于“负电压”)范围；所述防直通电路用于防止所述桥式变换器的桥臂之间的相互直通，即因桥臂串扰导致的误开通。
图1所示例的是一个基于SiC MOSFET的半桥式变换器的电路，该变换电路具有两个桥臂变换电路，可将其中一个称为第一桥臂变换电路(简称第一桥臂)，另一个称为第二桥臂变换电路(简称第二桥臂)。但是两个桥臂的栅极串扰抑制电路的构成都相同。本例中将上桥臂称为第一桥臂，下桥臂称为第二桥臂。
具体而言，参考图1，以第一桥臂为例来进行说明：所述负电压纹波抑制电路包括一PNP型三极管Q11、连接于三极管Q11的集电极的电容Cg1以及连接于发射极和基极之间的电阻R11，其中，连接于所述集电极的电容Cg1的另一端连接至所述SiC MOSFET(D1)的栅极，所述发射极连接至所述SiC MOSFET(D1)的源极，所述基极连接至所述SiC MOSFET的驱动单元的GND端。所述防直通电路包括一MOS管Q12和连接于所述MOS管Q12的栅极的电阻R12，其中，电阻R12的另一端连接至所述驱动单元，所述MOS管Q12的源极连接至所述GND端，所述MOS管的漏极同时连接至所述SiC MOSFET(D1)的栅极以及所述驱动单元的门极开通电阻Rgon和门极关断电阻Rgoff。其中，所述门极开通电阻Rgon和所述门极关断电阻Rgoff分别用于设置SiC MOSFET的开通速度和关断速度。
需要说明，第一桥臂和第二桥臂的两个电路中相应位置处且功能相同的元件采用相同的附图标号来表示。
下面以图1为例，对本发明前述提出的栅极串扰抑制电路的工作原理进行详细的说明。
如图1所示，第一桥臂100和第二桥臂200的所述栅极串扰抑制电路的构成完全相同，以上桥臂为例，所述负电压纹波抑制电路由一个PNP型三极管Q11、连接于三极管Q11集电极的电容Cg1以及连接于三极管Q11的基极和发射极之间的电阻R11构成；所述防直通电路由一个N沟道MOS管Q12和连接于该MOS管Q12栅极的电阻R12构成。
如图1所示的电路中，正常情况下(SiC MOSFET没有发生过流或短路情况)，应当是一个SiC MOSFET开通时，另一个SiC MOSFET关断。本发明的栅极串扰抑制电路在图1所示变换器中的工作过程和原理如下：
当驱动电路控制上桥臂的SiC MOSFET D1开通，而下桥臂的SiC MOSFET D2关断时：
对于上桥臂而言，正常情况下驱动单元接收正常的PWM信号，控制SiC MOSFET D1的开通和关断，并分别通过门极开通电阻Rgon和门极关断电阻Rgoff设置SiC MOSFET D1的开通和关断速度；SiC MOSFET D1开通时会有电流流过电阻R11，使得三极管Q11发射极的电压大于基极电压，三极管Q11开通，此时电容Cg1接入电路，从而可以使得SiC MOSFET D1内部的栅源电容Ciss除了经由门极开通电阻Rgon进行充电，还可被电容Cg1充电。因此，所述栅极串扰抑制电路并不会减慢SiC MOSFET D1的开通暂态，相反还可以加速开通过程。
此时的下桥臂中：尽管SiC MOSFET D2处于关断状态，但是SiC MOSFET D1开通时的高dv/dt会作用到SiC MOSFET D2，由于SiC MOSFET D2内栅极和漏极之间寄生电容Crss的存在，会在SiC MOSFET D2中产生电流ir＝Crss*dv/dt＝Crss*Vdc/tr，该电流ir会从SiCMOSFET D2的栅极流过。其中，Vdc为直流母线电压，tr为上桥臂的SiC MOSFET D1开通时的上升时间。以富士SiC MOSFET半桥模块的2CSI100CAM-120-50为例，其母线电压Vdc＝600V，对应的开通时的上升时间tr＝40ns，内部栅极与漏极间的寄生电容Crss＝45nF，则在上桥臂的SiC MOSFET D1开通过程中流过SiC MOSFET D2栅极的电流ir＝45pF*600V/40ns＝0.675A。因SiC MOSFET D2此时处于关断状态，故而该电流ir会流过门极关断电阻Rgoff，该模块推荐的门极关断电阻为15Ω，故而该电流ir在门极关断电阻Rgoff上产生的压降ur＝ir*Rgoff＝0.675A*15Ω＝10.125V。虽然驱动单元在关断时给提供了-3V的负压(最大负电压阈值为-7V)到Rgoff，但是此时SiC MOSFET D2的栅极电压ug＝ur+(-3)＝7.125V，而该SiC MOSFET D2的开通阈值电压为+5V，因此在上桥臂的SiC MOSFET D1开通时，下桥臂的SiC MOSFET D2会存在误开通现象，即桥臂串扰问题，从而造成上下桥臂的两个SiC MOSFET直通。虽然可以通过减小Rgoff来达到减小ur从而使得栅极电压降至开通阈值电压以下，但是一方面门极关断电阻值会受限，另一方面会影响关断特性，达不到很好的关断效果。而本发明中存在防直通电路，控制单元可以通过电阻R22控制MOS管Q22开通与关断，因此，此时可以利用防直通电路来防止桥臂串扰问题，即控制MOS管Q22开通，相当于为电流ir提供了一个流通路径，使得电流ir直接通过MOS管Q22流入驱动单元的GND，这样既使得SiC MOSFET D2的栅源电压保持为零，又可以为由于寄生电容的存在而产生的电流ir提供通路，从而有效地防止桥臂串扰导致的直通问题的发生。
上述介绍了上桥臂的SiC MOSFET D1的开通，下桥臂的SiC MOSFET D2关断时，防止下桥臂的SiC MOSFET D2误开通的工作原理；而下桥臂SiC MOSFET D2开通，上桥臂的SiCMOSFET D1关断时防止SiC MOSFET D1误开通的工作原理也类似，因此不再赘述。
当上桥臂的SiC MOSFET D1关断，下桥臂SiC MOSFET D2开通时：
在上桥臂中：会有负电压施加于SiC MOSFET D1的栅极，使得三极管Q11的发射极电压小于基极电压，从而三极管Q11关断，此时电容Cg1被断开，不再起作用。另一方面，SiCMOSFET D1关断时会产生感性电流，会流入到下桥臂中；此时在下桥臂中：感性电流一方面会流过SiC MOSFET D2内的寄生二极管，另一方面，部分感性电流会流过电阻R21，使得三极管Q21的发射极电压大于基极电压，从而三极管Q21开通，此时，电容Cg2接入电路，由于电容Cg2的容值远大于SiC MOSFET D2的栅源寄生电容Ciss，会在SiC MOSFET D1关断时为所述感性电流提供一个低阻抗的回路，防止感性电流对SiC MOSFETD2的栅源寄生电容反向充电，从而抑制SiC MOSFET D2的栅源负电压，防止超过负电压阈值。也就是说，如果没有本发明的栅极串扰抑制电路，则部分感性电流会给SiC MOSFET D2内的栅源寄生电容Ciss反向充电，从而使SiC MOSFET D2的栅源之间产生负电压，若该负电压过大，超过SiC MOSFET D2的最大承受负压值，则会损坏SiC MOSFET，而本发明的所述栅极串扰抑制电路的存在，避免了该情况的发生。
上述介绍了上桥臂的SiC MOSFET D1关断，下桥臂SiC MOSFET D2开通时抑制SiCMOSFET D2的栅源极之间负电压(防止超过负压可承受阈值)的工作原理，而上桥臂的SiCMOSFET D1开通，下桥臂SiC MOSFET D2关断时抑制SiC MOSFET D1的栅源极之间负电压的原理类似，在此不再赘述。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种SiC MOSFET的栅极串扰抑制电路，用于基于SiC MOSFET的桥式变换器中，其特征在于：连接于所述SiC MOSFET的栅极、源极以及所述SiC MOSFET的驱动单元之间，包括基于三极管的负电压纹波抑制电路和基于MOS管的防直通电路；所述负电压纹波抑制电路用于抑制所述SiC MOSFET的栅极和源极之间的负电压，所述防直通电路用于防止所述桥式变换器的桥臂之间相互直通。
2.如权利要求1所述的栅极串扰抑制电路，其特征在于：所述负电压纹波抑制电路包括一三极管(Q11)、连接于所述三极管的集电极的第一电容(Cg1)以及连接于发射极和基极之间的第一电阻(R11)，其中，连接于所述集电极的第一电容(Cg1)的另一端连接至所述SiCMOSFET的栅极，所述发射极连接至所述SiC MOSFET的源极，所述基极连接至所述SiCMOSFET的驱动单元的GND端；
所述防直通电路包括一MOS管(Q12)和连接于所述MOS管的栅极的第二电阻(R12)，其中，连接于所述MOS管的栅极的第二电阻的另一端连接至所述驱动单元，所述MOS管的源极连接至所述GND端，所述MOS管的漏极同时连接至所述SiC MOSFET的栅极以及所述驱动单元的门极开通电阻(Rgon)和门极关断电阻(Rgoff)。
3.如权利要求2所述的栅极串扰抑制电路，其特征在于：所述门极开通电阻(Rgon)和所述门极关断电阻(Rgoff)分别用于设置SiC MOSFET的开通速度和关断速度。
4.如权利要求3所述的栅极串扰抑制电路，其特征在于：所述三极管为PNP三极管。
5.如权利要求4所述的栅极串扰抑制电路，其特征在于：所述第一电容的容值大于SiCMOSFET内的栅源电容的容值。
6.如权利要求5所述的栅极串扰抑制电路，其特征在于：所述桥式变换器的每一桥臂电路中都具有一所述栅极串扰抑制电路，当所述桥式变换器为具有第一桥臂变换电路和第二桥臂变换电路的半桥式变换器时，工作过程如下：
①当第一桥臂变换电路的SiC MOSFET(D1)开通而第一桥臂变换电路的SiC MOSFET(D2)关断时：
在第一桥臂变换电路中：第一电阻(R11)上流过电流，使得三极管(Q11)的发射极电压大于基极电压，从而三极管(Q11)开通，此时第一电容(Cg1)接入电路，SiC MOSFET(D1)内部的栅源电容(Ciss)在经由门极开通电阻(Rgon)进行充电的同时，还被第一电容(Cg1)充电；
在第二桥臂变换电路中：控制单元通过第二电阻(R22)控制MOS管(Q22)开通，使流过SiC MOSFET(D2)栅极的电流经由MOS管(Q22)流入驱动单元的GND端；
②当第二桥臂变换电路的SiC MOSFET(D2)开通而第一桥臂变换电路的SiC MOSFET(D1)关断时：
在第一桥臂变换电路中：SiC MOSFET(D1)的栅极被施加负电压，使得三极管(Q11)的发射极电压小于基极电压，从而三极管(Q11)关断，此时第一电容(Cg1)被断开，失去作用；并且，SiC MOSFET(D1)关断时所产生的感性电流流入所述第二桥臂变换电路；
在第二桥臂变换电路中：从第一桥臂变换电路流入的所述感性电流部分流过SiCMOSFET(D2)的寄生二极管，另一部分流过第一电阻(R21)，使得三极管(Q21)的发射极电压大于基极电压，从而三极管(Q21)开通，此时，第一电容(Cg2)接入电路，以为所述感性电流提供一回路，防止感性电流对SiC MOSFET(D2)的栅源寄生电容反向充电，从而抑制SiCMOSFET(D2)的栅源负电压，防止超过负电压阈值。
7.一种SiC MOSFET的驱动电路，其特征在于：包括权利要求1至6任一项所述的栅极串扰抑制电路。
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