CN109462386B - 一种应用于高温环境的SiC MOSFET驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于高温环境的SiC MOSFET驱动电路，包括：电源、主驱动电路、驱动保护电路和SiC MOSFET；其中，电源连接主驱动电路和驱动保护电路；主驱动电路连接SiC MOSFET；驱动保护电路连接主驱动电路和SiC MOSFET本发明提供的一种应用于高温环境的SiC MOSFET驱动电路解决了电平移位电路中三极管开关速度与集电极电阻发热之间的矛盾；减小输出驱动电压的上升时间和下降时间，还可以为SiC MOSFET提供更高频率的驱动信号。欠压检测电路结构大大简化，提高了电路在高温环境下的可靠性，减小了电路制造成本。通过过流保护电路中设置了保护延时，以防止过流保护电路的误触发。

Description

一种应用于高温环境的SiC MOSFET驱动电路

技术领域

本发明属于电子电力技术领域，具体涉及一种应用于高温环境的SiC MOSFET驱动电路。

背景技术

开关器件的驱动电路是所有功率变换器结构的重要组成部分。它为开关器件提供足够的驱动信号，通过将幅值较小的控制信号转换为幅值满足被驱动开关器件的驱动信号，来实现开关器件的开关功能。

传统的硅基开关器件一般工作在低于150℃的环境下，在高于150℃的环境下无法工作。相较于硅基开关器件，碳化硅开关器件可以工作在更高温度的环境下并且具有更快的开关速度。所以对于要在高温环境下工作驱动电路必须具有耐高温的特点并且能够输出高频的驱动信号，这就要求驱动信号的上升沿和下降沿持续时间尽量短。现有技术提出了一种针对高温下SiC MOSFET驱动电路的设计方法，在其提出的驱动电路中采用了变压器隔离，输入信号经过变压器隔离之后发生畸变，通过在变压器副边接入互锁电路将畸变后的输入信号还原，之后通过电平移位电路将信号幅值抬升至能够驱动SiC MOSFET的水平，最后经过图腾柱电路增强电路的驱动能力。

然而，上述现有技术的针对高温下SiC MOSFET驱动电路的不足之处是：1)电路的传输延时较长；2)输出的驱动电压的上升时间和下降时间还有进一步减小的空间。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种应用于高温环境的SiCMOSFET驱动电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种应用于高温环境的SiC MOSFET驱动电路包括：电源、主驱动电路、驱动保护电路和SiC MOSFET；其中，

所述电源连接所述主驱动电路和所述驱动保护电路，用于给所述主驱动电路和所述驱动保护电路提供电压信号；

所述主驱动电路连接所述SiC MOSFET，用于将接收的控制信号进行放大并输出；

所述驱动保护电路连接所述主驱动电路和所述SiC MOSFET，用于检测所述主驱动电路的所述电压信号，并根据检测结果打开或关断所述SiC MOSFET。

在本发明的一个实施例中，所述主驱动电路包括：变压器隔离电路、驱动辅助电路、电平移位电路、图腾柱电路、打开电阻和关断电阻；其中，所述变压器隔离电路连接所述电平移位电路；

所述驱动辅助电路连接所述变压器隔离电路、电平移位电路、所述图腾柱电路和所述SiC MOSFET的源极；

所述电平移位电路连接所述图腾柱电路；

所述图腾柱电路连接所述打开电阻和所述关断电阻；

所述打开电阻和所述关断电阻均连接所述SiC MOSFET的栅极；

所述驱动保护电路包括：欠压检测电路、过流检测电路、保护执行电路和过压抑制电路；其中，

所述电源包括第一电压源V1和所述第二电压源V2；

所述欠压检测电路连接所述第一电压源V1、所述第二电压源V2和所述保护执行电路；

所述过流检测电路连接所述电平移位电路、所述第二电压源V2、所述保护执行电路和所述SiC MOSFET的漏极；

所述保护执行电路连接所述第一电压源V1、所述电平移位电路和所述驱动辅助电路；

所述过压抑制电路连接所述SiC MOSFET的栅极和漏极。

在本发明的一个实施例中，所述变压器隔离电路包括：电容C1、电容C2、电容C3、变压器原边L1、变压器副边L2、二极管D1和电阻R4；其中，

所述电容C1连接所述变压器原边L1的上端；

所述变压器隔离电路输入端连接在所述变压器原边L1的下端和所述电容C1之间；

所述电容C2连接所述变压器副边L2的上端，且所述电容C2和所述二极管D1串联在所述变压器副边L2的两端；

所述变压器副边L2的下端连接接地端；

所述电容C3与所述电阻R4并联后，连接在所述电容C2和所述变压器隔离电路的输出端A之间。

在本发明的一个实施例中，所述驱动辅助电路包括：变压器副边L3、电阻R2、电阻R5、电阻R6、三极管Q8和三极管Q12；其中，

所述变压器副边L3的下端连接所述变压器副边L2的下端、所述电阻R6、所述三极管Q12的发射极和所述三极管Q8的发射极和所述驱动辅助电路的第一输出端B；

所述变压器副边L3的上端通过所述电阻R5连接所述电阻R6、所述三极管Q12的集电极、所述三极管Q8的基极和所述驱动辅助电路的第二输出端C；

所述驱动辅助电路输入端连接所述SiC MOSFET的源极和所述第一电压源V1，且所述驱动辅助电路输入端通过所述电阻R2连接所述三极管Q8的发射极和所述变压器隔离电路输出端。

在本发明的一个实施例中，所述电平移位电路包括：三极管Q1、三极管Q2、三极管Q6、三极管Q7、电阻R1、电阻R3、电阻R7和电阻R8；其中，

所述三极管Q6的基极连接所述驱动辅助电路的第二输出端C；

所述电平移位电路的输入端连接所述第二电压源V2、所述三极管Q1的集电极和所述三极管Q2的发射极，且所述电平移位电路的输入端通过所述电阻R2连接所述三极管Q1的基极和所述三极管的集电极；

所述三极管Q1的发射极通过所述电阻R3连接所述三极管Q2的基极；

所述三极管Q1的发射极通过所述电阻R7连接所述驱动辅助电路的第一输出端B；

所述三极管Q7的基极连接所述变压器隔离电路的输出端A，所述三极管Q7的发射极连接所述驱动辅助电路的第一输出端B；

所述电阻R8连接在所述驱动辅助电路的第一输出端B与所述变压器隔离电路的输出端A之间；

所述三极管Q7的集电极与所述三极管Q2的集电极连接后，连接至所述电平移位电路的输出端Vg。

在本发明的一个实施例中，所述图腾柱电路包括：三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q9三极管Q10和三极管Q11；其中，

所述电平移位电路的输出端Vg连接所述三极管Q3的基极和所述三极管Q9的基极；

所述电平移位电路的输入端连接所述三极管Q3的集电极、所述三极管Q4的集电极和所述三极管Q5的集电极；

所述三极管Q3的发射极连接所述所述三极管Q9的发射极、所述三极管Q4的基极、所述三极管Q5的基极、所述三极管Q10的基极、所述三极管Q11的基极；

所述驱动辅助电路的第一输出端B连接所述三极管Q9集电极、所述三极管Q10的集电极、所述三极管Q11的集电极；

所述三极管Q4的发射极与所述三极管Q5的发射极连接后，通过所述打开电阻Ron连接至所述SiC MOSFET的栅极；

所述三极管Q10的发射极与所述三极管Q11的发射极连接后，通过所述关断电阻Roff连接至所述SiC MOSFET的栅极。

在本发明的一个实施例中，所述欠压检测电路包括：三极管Q15、三极管Q21、稳压管D3、稳压管D10、二极管D4、二极管D12、电阻R11、电阻R16、电阻R21、电阻R25、电阻R29和电阻R32；其中，

所述电阻R25和所述电阻R32串联后，连接在所述三极管Q21的基极和发射极之间；

所述电阻R25和所述电阻R32连接的节点处通过稳压管D10连接至所述第一电压源V1；

所述三极管Q21的集电极通过电阻R16连接至所述第二电压源V2；

所述三极管Q21的集电极通过二极管D12连接至所述欠压检测电路的输出端；

所述三极管Q21的发射极与所述三极管Q15的发射极连接后，连接至接地端；

所述电阻R29与所述电阻R21串联后，连接在所述三极管Q15的基极和发射极之间；

所述电阻R29和所述电阻R21连接的节点处通过稳压管D3连接至所述第一电压源V1；

所述三极管Q15的集电极通过所述电阻R11连接至所述第二电压源V2；

所述三极管Q15的集电极通过所述二极管D4连接至所述欠压检测电路的输出端。

在本发明的一个实施例中，所述过流检测电路包括：三极管Q18、二极管D5、二极管D1、二极管D19、稳压管D17、电阻R12、电阻R20、电阻R27和电容C7；其中，

所述电阻R27、所述电容C7和所述稳压管D17依次串联后，连接在所述三极管Q18的集电极与基极之间；

所述电阻R27与所述电容C7连接的节点处通过二极管D15连接所述电平移位电路的输出端Vg；

所述电阻R27与所述电容C7连接的节点处通过二极管D19连接所述过流检测电路的输出端；

所述电容C7与所述稳压管D17连接的节点处连接至接地端；

所述电阻R20连接在所述三极管Q18的基极和发射极之间；

所述三极管Q18的发射极通过电阻R12连接至所述第二电源；

所述三极管Q18的发射极通过二极管D5连接至所述SiC MOSFET的漏极。

在本发明的一个实施例中，所述保护执行电路包括：初始化子电路、锁存子电路、信号执行电路和预防子电路；其中，

所述初始化子电路的连接所述第一电压源V1、所述锁存子电路、所述信号执行子电路和所述预防子电路；

所述锁存子电路连接所述欠压检测电路、所述第一电压源V1和所述信号执行子电路；

所述信号执行子电路连接所述电平移位电路和所述预防子电路；

所述预防子电路连接所述电平移位电路和所述驱动辅助电路。

在本发明的一个实施例中，所述过压抑制电路包括：三极管Q20、稳压管D2、稳压管D11、二极管D14、二极管D16、二极管D18、二极管D20、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R34和电容C6；其中，

所述二极管D18、所述电容C6、所述二极管D20和所述电阻R34依次串联后，连接在所述三极管Q20的集电极和基极之间；

所述二极管D18余所述电容C6连接的节点处，依次通过二极管D14、电阻R22连接至三极管Q20的发射极；

所述稳压管D11连接在三极管的发射极和集电极之间；

所述电容C6与所述二极管D20连接的节点处，依次通过二极管D16、电阻R23连接至所述SiC MOSFET的栅极；

所述二极管D20与所述电阻R34连接的节点处，连接至接地端；

所述电阻R24连接在所述三极管Q20的发射极和基极之间；

所述三极管Q20的发射极通过稳压管D2连接至所述SiC MOSFET的漏极。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的一种应用于高温环境的SiC MOSFET驱动电路解决了电平移位电路中三极管开关速度与集电极电阻发热之间的矛盾；大大减小输出驱动电压的上升时间和下降时间，还可以为SiC MOSFET提供更高频率的驱动信号。欠压检测电路结构大大简化，提高了电路在高温环境下的可靠性，减小了电路制造成本。通过过流保护电路中设置了保护延时，以防止过流保护电路的误触发。

附图说明

图1为本发明提供的一种应用于高温环境的SiC MOSFET驱动电路的结构示意图；

图2为本发明提供的主驱动电路示意图；

图3为本发明提供的欠压检测电路示意图；

图4为本发明提供的过流检测电路示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1至图4，图1为本发明提供的一种应用于高温环境的SiC MOSFET驱动电路的结构示意图；图2为本发明提供的主驱动电路示意图；图3为本发明提供的欠压检测电路示意图；图4为本发明提供的过流检测电路示意图。

如图1所示，一种应用于高温环境的SiC MOSFET驱动电路，包括：电源、主驱动电路、驱动保护电路和SiC MOSFET；其中，

电源连接主驱动电路和驱动保护电路，用于给主驱动电路和驱动保护电路提供电压信号；

主驱动电路连接SiC MOSFET，用于将接收的控制信号进行放大并输出，具体地用于将输入主驱动电路的控制信号的幅值放大，并输出具有陡峭上升沿和下降沿的驱动信号；

驱动保护电路分别连接主驱动电路和SiC MOSFET，用于检测主驱动电路的电压信号，并根据检测结果打开或关断SiC MOSFET。

进一步地，主驱动电路包括：变压器隔离电路、驱动辅助电路、电平移位电路、图腾柱电路、打开电阻Ron和关断电阻Roff；其中，

变压器隔离电路连接电平移位电路，用于电器隔离；

驱动辅助电路分别连接变压器隔离电路、电平移位电路、图腾柱电路和SiCMOSFET的源极，用于辅助变压器隔离电路输出；

电平移位电路连接图腾柱电路，用于将信号幅值抬升至能够驱动SiC MOSFET的水平；

图腾柱电路分别连接打开电阻和关断电阻；用于增强驱动信号；

打开电阻和关断电阻分别连接SiC MOSFET的栅极；

驱动保护电路包括：欠压检测电路、过流检测电路、保护执行电路和过压抑制电路；其中，

电源包括第一电压源V1和第二电压源V2，

欠压检测电路分别连接第一电压源V1、第二电压源V2和保护执行电路；

过流检测电路分别连接电平移位电路、第二电压源V2、保护执行电路和SiCMOSFET的漏极；

保护执行电路分别连接第一电压源V1、电平移位电路和驱动辅助电路；

过压抑制电路分别连接SiC MOSFET的栅极和漏极。

进一步地，如图2所示，变压器隔离电路包括：电容C1、电容C2、电容C3、变压器原边L1、变压器副边L2、二极管D1和电阻R4；其中，

电容C1连接变压器原边L1的上端；

变压器隔离电路输入端连接在变压器原边L1的下端和电容C1之间；控制信号通过变压器隔离电路输入端输入至主驱动电路；

电容C2连接变压器副边L2的上端，且电容C2和二极管D1串联在变压器副边L2的两端；

变压器副边L2的下端连接接地端；

电容C3与电阻R4并联后，连接在电容C2与变压器隔离电路的输出端A之间。

具体地，电容C1的作用是滤除输入控制信号中的直流分量，电容C2和二极管D1的作用是将被滤除的直流分量补回来。

进一步地，驱动辅助电路包括：变压器副边L3、电阻R2、电阻R5、电阻R6、三极管Q8和三极管Q12；其中，

变压器副边L3的下端分别连接变压器副边L2的下端、电阻R6、三极管Q12的发射极和三极管Q8的发射极和驱动辅助电路的第一输出端B；

变压器副边L3的上端通过电阻R5分别连接电阻R6、三极管Q12的集电极、三极管Q8的基极和驱动辅助电路的第二输出端C；

驱动辅助电路输入端分别连接SiC MOSFET的源极和第一电压源V1，且驱动辅助电路输入端通过电阻R2分别连接三极管Q8的发射极和变压器隔离电路输出端。

具体地，驱动辅助电路用于防止在无输入控制信号的时候将SiC MOSFET开启。还用于辅助三极管Q7开通和关断。

进一步地，电平移位电路包括：三极管Q1、三极管Q2、三极管Q6、三极管Q7、电阻R1、电阻R3、电阻R7和电阻R8；其中，

三极管Q6的基极连接驱动辅助电路的第二输出端C；

电平移位电路的输入端分别连接第二电压源V2、三极管Q1的集电极和三极管Q2的发射极，且电平移位电路的输入端通过电阻R2分别连接三极管Q1的基极和三极管的集电极；

三极管Q1的发射极通过电阻R3连接三极管Q2的基极；

三极管Q1的发射极通过电阻R7连接驱动辅助电路的第一输出端B；

三极管Q7的基极连接变压器隔离电路的输出端A，三极管Q7的发射极连接驱动辅助电路的第一输出端B；

电阻R8连接在驱动辅助电路的第一输出端B与变压器隔离电路的输出端A之间；

三极管Q7的集电极与三极管Q2的集电极连接后，连接至电平移位电路的输出端Vg。

具体地，驱动辅助电路的工作原理为：在无输入的时候，变压器原边L1、副边L2和副边L3均无电压，三极管Q8截止，第一电源V1通过电阻R2为三极管Q7提供基极电流，将三极管Q7打开，将电平移位电路的输出端Vg拉低，从而实现在无输入控制信号的情况下不输出驱动信号。同时该驱动辅助电路在有输入控制信号的情况下对三极管Q7的开关过程有辅助作用。即在三极管Q7开通过程中，第一电压源V1、电阻R2协助副边L2、电容C2使得三极管Q7能够快速开启；在三极管Q7关断的时候，三极管Q8导通，为三极管Q7提供快速放电回路，使三极管Q7快速关断。

具体地，电平移位电路的工作原理为：在三极管Q7开启的过程中，三极管Q6截止，第二电压源V2通过电阻R1为三极管Q1提供基极电流，三极管Q1打开，三极管Q1的发射极电压抬升为第二电压源V2，此时三极管Q2的发射结电压为0，则三极管Q2关闭，电平移位电路的输出端Vg被拉低；在三极管Q7关断的过程中，三极管Q6导通，三极管Q1的基极电压被拉低为地电位，则三极管Q1截止，第二电压源V2通过电阻R3、电阻R7及三极管Q2的发射结提供Q2的基极电流，则三极管Q2导通，电平移位电路的输出端Vg被拉高。

进一步地，图腾柱电路包括：三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q9三极管Q10和三极管Q11；其中，

电平移位电路的输出端Vg分别连接三极管Q3的基极和三极管Q9的基极；

电平移位电路的输入端分别连接三极管Q3的集电极、三极管Q4的集电极和三极管Q5的集电极；

三极管Q3的发射极分别连接三极管Q9的发射极、三极管Q4的基极、三极管Q5的基极、三极管Q10的基极、三极管Q11的基极；

驱动辅助电路的第一输出端B分别连接三极管Q9集电极、三极管Q10的集电极、三极管Q11的集电极。

三极管Q4的发射极与三极管Q5的发射极连接后，通过打开电阻Ron连接至SiCMOSFET的栅极；

三极管Q10的发射极与三极管Q11的发射极连接后，通过关断电阻Roff连接至SiCMOSFET的栅极。

具体地，图腾柱电路的工作原理为：当电平移位电路的输出端Vg为高时，三极管Q3导通，第二电压源V2通过三极管Q3为三极管Q4和三极管Q5提供基极电流，将三极管Q4和三极管Q5导通，SiC MOSFET的栅极电位拉高至第二电压源V2；当电平移位电路的输出端Vg为低时，三极管Q9、三极管Q10和三极管Q11导通，SiC MOSFET的栅极电位拉低至地电位；输出电压高电平为第二电压源V2减去第一电压源的差V1，输出低电平为负的第一电压源。

具体地，图腾柱电路用于增强主驱动电路的驱动能力。优选地，可以根据具体需要调整图腾柱电路的并联组数。

进一步地，如图3所示，欠压检测电路包括：三极管Q15、三极管Q21、稳压管D3、稳压管D10、二极管D4、二极管D12、电阻R11、电阻R16、电阻R21、电阻R25、电阻R29和电阻R32；其中，

电阻R25和电阻R32串联后，连接在三极管Q21的基极和发射极之间；

电阻R25和电阻R32连接的节点处通过稳压管D10连接至第一电压源V1；

三极管Q21的集电极通过电阻R16连接至第二电压源V2；

三极管Q21的集电极通过二极管D12连接至欠压检测电路的输出端；

三极管Q21的发射极与三极管Q15的发射极连接后，连接至接地端；

电阻R29与电阻R21串联后，连接在三极管Q15的基极和发射极之间；

电阻R29和电阻R21连接的节点处通过稳压管D3连接至第一电压源V1；

三极管Q15的集电极通过电阻R11连接至第二电压源V2；

三极管Q15的集电极通过二极管D4连接至欠压检测电路的输出端。

具体的，二极管D10的阴极与第一电压源V1相连，二极管D10阳极与电阻R32和电阻R25相连，电阻R25的另一端接三极管Q21的基极，三极管Q21的发射极接地，三极管Q21的集电极接二极管D12的阳极和电阻R16。电阻R16的另一端接第二电压源V2，二极管D3的阴极与第二电压源V2相连，其阳极与电阻R29和电阻R21相连，电阻R21的另一端接三极管Q15的基极，三极管Q15的发射极接地，三极管Q15的集电极接二极管D4的阳极和电阻R11，电阻R11的另一端接第二电压源V2。二极管D4的阴极与二极管D12阴极相连并接于欠压检测电路的输出端，该输出端为Fault1，该输出端连接至保护执行电路。电路中Q22的集电极。

具体的，三极管Q15和三极管Q21均为PNP型BJT。

具体地，当第一电压源V1发生欠压，即V1低于参考电压值时，三极管Q21截止，Fault1被拉高；当第二电压源V2发生欠压，即第二电压源V2低于参考电压值时，三极管Q15截止，Fault1被拉高。二极管D4和二极管D12的作用是防止欠压检测电路与保护执行电路之间互相干扰。

进一步地，如图4所示，过流检测电路包括：三极管Q18、二极管D5、二极管D1、二极管D19、稳压管D17、电阻R12、电阻R20、电阻R27和电容C7；其中，

电阻R27、电容C7和稳压管D17依次串联后，连接在三极管Q18的集电极与基极之间；

电阻R27与电容C7连接的节点处通过二极管D15连接电平移位电路的输出端Vg；

电阻R27与电容C7连接的节点处通过二极管D19连接过流检测电路的输出端；

电容C7与稳压管D17连接的节点处连接至接地端；

电阻R20连接在三极管Q18的基极和发射极之间；

三极管Q18的发射极通过电阻R12连接至第二电源；

三极管Q18的发射极通过二极管D5连接至SiC MOSFET的漏极。

具体地，第二电压源V2通过电阻R12接二极管D5的阳极、三极管Q18的发射极以及电阻R20，二极管D5的阴极接SiC MOSFET的漏极，电阻R20并接在三极管Q18的发射结，稳压管D17的阴极与三极管Q18的基极相连，其阳极与电容C7相连并接地，三极管Q18的集电极接电阻R27，电阻R27与电容C7相连，并与二极管D15、二极管D19的阳极相连，二极管D15的阴极连接电平移位电路的输出端Vg，即连接主驱动电路中Q7的集电极，二极管D19的阴极连接连接过流检测电路的输出端，记为Fault2。

具体地，过流检测电路由第二电压源V2供电，当电平移位电路的输出端Vg为0时，Fault2被钳制为0电位。也就是说在SiC MOSFET关断的时候不进行过流检测。当电平移位电路的输出端Vg为高电平时，二极管D15截止，电平移位电路的输出端Vg失去了对Fault2钳制作用。仅在SiC MOSFET导通的时候才进行过流检测。此时如果不发生过流时，二极管D5的阳极电位被漏极电压钳位至2V左右，无法使稳压管D17开通，那么三极管Q18就没有基极电流，三极管Q18截止；也就不会对电容C7充电，则Fault2无效；如果此时发生过流故障，且当SiCMOSFET的漏极电压V_D高于参考电压值时，稳压管D17导通，产生三极管Q18基极电流的通路，三极管Q18导通，电容C7开始充电，当电容C7两端的电压抬升至1.4V时，Fault2抬升至0.7V，并被保护逻辑电路锁存。

具体地，通过C7设置了报错延时，并可通过通过调整电容C7和电阻R27的值来设置不同的报错延时时间。因为仅在SiC MOSFET开通的时候对漏极电流进行检测，所以通过二极管D15来实现该功能。

进一步地，保护执行电路包括：初始化子电路、锁存子电路、信号执行电路和预防子电路；其中，

初始化子电路的连接第一电压源V1、锁存子电路、信号执行子电路和预防子电路；

锁存子电路连接欠压检测电路、第一电压源V1和信号执行子电路；

信号执行子电路连接电平移位电路和预防子电路；

预防子电路连接电平移位电路和驱动辅助电路。

具体地，初始化子电路包括：由电容C5、电阻R33、电阻R26、三极管Q16、三极管Q22，其中，电容C5的一端接第一电压源V1，另一端接电阻R26和电阻R33，电阻R26的另一端接三极管Q16和三极管Q22的基极，三极管Q16和三极管Q22的发射极接地，三极管Q16的集电极连接Fault2三极管Q22的集电极连接Fault1。

锁存子电路包括：三极管Q14、三极管Q17、电阻R10、电阻R13、电阻R18、电阻R14，其中，三极管Q14和三极管Q17的发射极均接地，在三极管Q14的集电极与三极管Q17的基极之间接电阻R13，在三极管Q14的基极与三极管Q17的集电极之间接电阻R18，在三极管Q14和三极管Q17的集电极分别接一个电阻R10和电阻R14，电阻R10和电阻R14的另一端都接第一电压源V1。

信号执行子电路包括：二极管D6、二极管D13、电阻R30、三极管Q19、电阻R19，其中，二极管D6的阳极接三极管Q17的集电极，二极管D13的阳极接三极管Q22的集电极，二极管D6和二极管D13的阴极相连并与电阻R30、三极管Q19的基极连接在一起，并连接至预防子电路。电阻R30的另一端与三极管Q19的发射极相连并接地，电阻R19一端接三极管Q19的集电极，其另一端接主驱动电路中三极管Q7的集电极。

预防子电路包括：电阻R15、三极管Q13、电阻R31、二极管D7、二极管D8、电阻R17、二极管D9、电阻R28，其中，二极管D7的阴极连接二极管D6的阴极，三极管Q13的发射极与电阻R17相接并与第一电压源V1连接，电阻R15一端连接三极管Q13的基极，另一端连接主驱动电路中三极管Q7的集电极，电阻R17的另外一端接二极管D7、二极管D8和二极管D9的阳极。二极管D8的阴极接三极管Q13的集电极和电阻R31的一端，电阻R31的另一端接地。二极管D9的阴极接电阻R28和主驱动电路中的三极管Q9的基极和电阻R28的一端，电阻R28的另一端接地。

具体地，保护执行电路用于在主驱动电路接通电源的一瞬间对Fault1、Fault2清零。其中，锁存子电路的功能是一旦产生过流信号就将Fault2信号锁存，使Fault2一直有效，直至断电重启才能将Fault2清除。信号执行子电路的功能是无论发生欠压故障还是过流故障，都会将三极管Q19开通，电平移位电路的输出端Vg电压拉低至第一电压源V1的电压，之后主驱动电路中三极管Q7导通，将电平移位电路的输出端Vg电压拉低至0，实现了两步关断。预防子电路用于防止发生故障后MOSFET两步关断之后VGS发生跳变。预防子电路用于防止发生故障MOSFET两步关断之后，SiC MOSFET的栅源电压V_GS发生跳变。

具体地，过压抑制电路包括：三极管Q20、稳压管D2、稳压管D11、二极管D14、二极管D16、二极管D18、二极管D20、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R34和电容C6；其中，

二极管D18、电容C6、二极管D20和电阻R34依次串联后，连接在三极管Q20的集电极和基极之间；

二极管D18余电容C6连接的节点处，依次通过二极管D14、电阻R22连接至三极管Q20的发射极；

稳压管D11连接在三极管的发射极和集电极之间；

电容C6与二极管D20连接的节点处，依次通过二极管D16、电阻R23连接至SiCMOSFET的栅极；

二极管D20与电阻R34连接的节点处，连接至接地端

电阻R24连接在三极管Q20的发射极和基极之间；

三极管Q20的发射极通过稳压管D2连接至SiC MOSFET的漏极。

具体地，二极管D2的阴极与SiC MOSFET的漏极相连，其阳极与三极管Q20和电阻R24相连，电阻R24并接在三极管Q20的发射极与基极之间，三极管Q20的基极与电阻R34的一端相连，电阻R34的另一端与二极管D20阳极相连并接地。二极管D11并接在三极管Q20的集电极与发射极之间，其作用为防止三极管Q20被击穿。三极管Q20的集电极与二极管D18的阳极相连，二极管D18的阴极分别与二极管D14的阳极、电容C6相连。电阻R22的一端接二极管D14的阴极，其另一端接三极管Q20的集电极。电容C6的另一端分别连接二极管D16的阳极和二极管D20的阴极。电阻R23一端接二极管D16的阴极，另一端接SiC MOSFET的栅极。

优选地，为了实现过压抑制功能的目的，在SiC MOSFET关断的过程中给其栅极注入一个尖峰电流，使其关断过程减缓，降低漏极电流的变化率。从而可以降低电路中线路上的杂散电感或变压器漏感上的感应电压，进而减小SiC MOSFET在关断过程中承受的电压应力。

具体地，通过二极管D2设置一个参考电压，当SiC MOSFET关断时，SiC MOSFET的漏极电压V_D上升，且当其超过参考电压值，二极管D2导通，三极管Q20导通，瞬间的电压会使得电容C6产生一个尖峰电流，该电流通过二极管D16和电阻R23注入SiC MOSFET的栅极。二极管D20、二极管D14、电阻R22、二极管D2组成电容C6的放电回路。之后SiC MOSFET稳定关断，VD开始减小，逐渐趋于SiC MOSFET的母线电压值。因为D2的稳压值略低于母线电压值，所以D2仍然导通，但VD的变化率接近为0，经过电容C6的电流值接近为0。则无电流注入SiCMOSFET的栅极，也就不会影响SiC MOSFET的正常关断。当MOSFET导通时，VD降至接近1V左右，二极管D2截止，该电路对驱动电路不起作用。

本实施例提供主驱动电路的工作过程为：当控制信号Vin输入至主驱动电路为高电平时，变压器原边L1上正下负，变压器副边L2上负下正，通过二极管D1给电容C2充电；变压器副边L3上正下负，三极管Q8和三极管Q6导通，三极管Q8导通为三极管Q7提供低阻抗的放电回路；三极管Q6导通使得三极管Q1关断，三极管Q2导通；从而使得第二电压源V2通过三极管Q2将电平移位电路的输出端Vg拉高。

当控制信号Vin输入至主驱动电路为低电平时，变压器原边L1上负下正，变压器副边L2上正下负，变压器副边L2、电容C2通过电阻R4、电容C3为三极管Q7提供基极电流，将三极管Q7导通；变压器副边L3上负下正，三极管Q8和三极管Q6截止，三极管Q8截止为三极管Q7的导通创造条件；三极管Q6截止使得三极管Q1导通，三极管Q2截止；电平移位电路的输出端Vg被三极管Q7拉低，则在三极管Q7导通时无电流流过三极管Q7。这样不仅可以去掉三极管Q7的集电极电阻，解决其集电极电阻的发热问题，同时还降低了三极管Q7的功耗并提升三极管Q7的开关速度。之后电平移位电路的输出端Vg经过图腾柱电路增强驱动能力之后输出给SiC MOSFET。

本发明提供的一种应用于高温环境的SiC MOSFET驱动电路解决了电平移位电路中三极管开关速度与集电极电阻发热之间的矛盾；大大减小输出驱动电压的上升时间和下降时间，还可以为SiC MOSFET提供更高频率的驱动信号。欠压检测电路结构大大简化，提高了电路在高温环境下的可靠性，减小了电路制造成本。通过过流保护电路中设置了保护延时，以防止过流保护电路的误触发。

下面结合仿真实验对本发明实施例的性能进行进一步地说明。

1.仿真条件：

本发明采用Pspice软件中对电路进行仿真。用幅值为5V，频率100KHZ，占空比为50％的方波信号作为驱动电路的输入控制信号，Ron、Roff均取值2Ω，用容值为2nF的电容仿真SiC MOSFET的SiC MOSFET的栅源电压C_GS。

2.仿真内容：

主要观察和测量主驱动电路输出电压的上升时间，下降时间以及上升沿延时和下降沿延时。以及欠压保护电路的功能验证，过流保护电路的功能验证，保护执行电路的功能验证以及观察SiC MOSFET的源漏电压V_DS在电路加入过压抑制电路前后的变化情况是否达到预期。

3.仿真结果分析：

1)主驱动电路的输出电压上升时间为14.536ns，下降时间为30.385ns。上升时间和下降时间与同类型驱动电路相比大幅度减小。

2)欠压检测电路与理论分析结果相吻合，实现了欠压检测功能；

3)过流检测电路中各点电压波形与理论分析结果吻合，能够正确地产生过流故障信号；

4)仿真产生的故障信号，传递给保护执行电路，保护执行电路在接收到故障信号后可将Vg拉低，实现两步关断。

5)过压抑制电路的功能也得到了验证，在未加抑制电路的情况下(功率电路的母线电压为600V)，尖峰电压值为890V；加入过压抑制电路之后，SiC MOSFET的源漏电压V_DS的尖峰电压值为644.5V。抑制效果明显。

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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于高温环境的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，包括：电源、主驱动电路、驱动保护电路和SiC MOSFET；其中，

所述电源连接所述主驱动电路和所述驱动保护电路，用于给所述主驱动电路和所述驱动保护电路提供电压信号；

所述主驱动电路连接所述SiC MOSFET，用于将接收的控制信号进行放大并输出；

所述驱动保护电路连接所述主驱动电路和所述SiC MOSFET，用于检测所述主驱动电路的所述电压信号，并根据检测结果打开或关断所述SiC MOSFET；

所述主驱动电路包括：变压器隔离电路、驱动辅助电路、电平移位电路、图腾柱电路、打开电阻和关断电阻；其中，所述变压器隔离电路连接所述电平移位电路；所述驱动辅助电路连接所述变压器隔离电路、电平移位电路、所述图腾柱电路和所述SiC MOSFET的源极；所述电平移位电路连接所述图腾柱电路；所述图腾柱电路连接所述打开电阻和所述关断电阻；所述打开电阻和所述关断电阻均连接所述SiC MOSFET的栅极；

所述驱动保护电路包括：欠压检测电路、过流检测电路、保护执行电路和过压抑制电路；其中，所述电源包括第一电压源V1和第二电压源V2；所述欠压检测电路连接所述第一电压源V1、所述第二电压源V2和所述保护执行电路；所述过流检测电路连接所述电平移位电路、所述第二电压源V2、所述保护执行电路和所述SiC MOSFET的漏极；所述保护执行电路连接所述第一电压源V1、所述电平移位电路和所述驱动辅助电路；所述过压抑制电路连接所述SiCMOSFET的栅极和漏极；

所述变压器隔离电路包括：电容C1、电容C2、电容C3、变压器原边L1、变压器副边L2、二极管D1和电阻R4；其中，所述电容C1连接所述变压器原边L1的上端；所述变压器隔离电路输入端连接在所述变压器原边L1的下端和所述电容C1之间；所述电容C2连接所述变压器副边L2的上端，且所述电容C2和所述二极管D1串联在所述变压器副边L2的两端；所述变压器副边L2的下端连接接地端；所述电容C3与所述电阻R4并联后，连接在所述电容C2和所述变压器隔离电路的输出端A之间；

所述驱动辅助电路包括：变压器副边L3、电阻R2、电阻R5、电阻R6、三极管Q8和三极管Q12；其中，所述变压器副边L3的下端连接所述变压器副边L2的下端、所述电阻R6、所述三极管Q12的发射极和所述三极管Q8的发射极，所述三极管Q8的发射极构成所述驱动辅助电路的第一输出端B；所述变压器副边L3的上端通过所述电阻R5连接所述电阻R6、所述三极管Q12的集电极和所述三极管Q8的基极，所述三极管Q8的基极构成所述驱动辅助电路的第二输出端C；所述驱动辅助电路输入端连接所述SiC MOSFET的源极和所述第一电压源V1，且所述驱动辅助电路输入端通过所述电阻R2连接所述三极管Q8的发射极和所述变压器隔离电路输出端；所述三极管Q12的基极连接所述保护执行电路；

所述电平移位电路包括：三极管Q1、三极管Q2、三极管Q6、三极管Q7、电阻R1、电阻R3、电阻R7和电阻R8；其中，所述三极管Q6的基极连接所述驱动辅助电路的第二输出端C，所述三极管Q6的发射极接地，所述三极管Q6的集电极通过所述电阻R1连接所述第二电压源V2，所述三极管Q6的集电极还连接所述三极管Q1的基极；所述电平移位电路的输入端连接所述第二电压源V2、所述三极管Q1的集电极和所述三极管Q2的发射极，且所述电平移位电路的输入端通过所述电阻R1连接所述三极管Q1的基极和所述三极管Q6的集电极；所述三极管Q1的发射极通过所述电阻R3连接所述三极管Q2的基极；所述三极管Q1的发射极通过所述电阻R7连接所述驱动辅助电路的第一输出端B；所述三极管Q7的基极连接所述变压器隔离电路的输出端A，所述三极管Q7的发射极连接所述驱动辅助电路的第一输出端B；所述电阻R8连接在所述驱动辅助电路的第一输出端B与所述变压器隔离电路的输出端A之间；所述三极管Q7的集电极与所述三极管Q2的集电极连接后，连接至所述电平移位电路的输出端Vg；

所述图腾柱电路包括：三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q9三极管Q10和三极管Q11；其中，所述电平移位电路的输出端Vg连接所述三极管Q3的基极和所述三极管Q9的基极；所述电平移位电路的输入端连接所述三极管Q3的集电极、所述三极管Q4的集电极和所述三极管Q5的集电极；所述三极管Q3的发射极连接所述三极管Q9的发射极、所述三极管Q4的基极、所述三极管Q5的基极、所述三极管Q10的基极、所述三极管Q11的基极；所述驱动辅助电路的第一输出端B连接所述三极管Q9集电极、所述三极管Q10的集电极、所述三极管Q11的集电极；所述三极管Q4的发射极与所述三极管Q5的发射极连接后，通过所述打开电阻Ron连接至所述SiC MOSFET的栅极；所述三极管Q10的发射极与所述三极管Q11的发射极连接后，通过所述关断电阻Roff连接至所述SiC MOSFET的栅极。

2.根据权利要求1所述的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，所述欠压检测电路包括：三极管Q15、三极管Q21、稳压管D3、稳压管D10、二极管D4、二极管D12、电阻R11、电阻R16、电阻R21、电阻R25、电阻R29和电阻R32；其中，

所述电阻R25和所述电阻R32串联后，连接在所述三极管Q21的基极和发射极之间；

所述电阻R25和所述电阻R32连接的节点处通过稳压管D10连接至所述第一电压源V1；

所述三极管Q21的集电极通过电阻R16连接至所述第二电压源V2；

所述三极管Q21的集电极通过二极管D12连接至所述欠压检测电路的输出端；

所述三极管Q21的发射极与所述三极管Q15的发射极连接后，连接至接地端；

所述电阻R29与所述电阻R21串联后，连接在所述三极管Q15的基极和发射极之间；

所述电阻R29和所述电阻R21连接的节点处通过稳压管D3连接至所述第一电压源V1；

所述三极管Q15的集电极通过所述电阻R11连接至所述第二电压源V2；

所述三极管Q15的集电极通过所述二极管D4连接至所述欠压检测电路的输出端。

3.根据权利要求1所述的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，所述过流检测电路包括：三极管Q18、二极管D5、二极管D1、二极管D19、稳压管D17、电阻R12、电阻R20、电阻R27和电容C7；其中，

所述电阻R27、所述电容C7和所述稳压管D17依次串联后，连接在所述三极管Q18的集电极与基极之间；

所述电阻R27与所述电容C7连接的节点处通过二极管D15连接所述电平移位电路的输出端Vg；

所述电阻R27与所述电容C7连接的节点处通过二极管D19连接所述过流检测电路的输出端；

所述电容C7与所述稳压管D17连接的节点处连接至接地端；

所述电阻R20连接在所述三极管Q18的基极和发射极之间；

所述三极管Q18的发射极通过电阻R12连接至所述第二电压源V2；

所述三极管Q18的发射极通过二极管D5连接至所述SiC MOSFET的漏极。

4.根据权利要求1所述的SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，所述过压抑制电路包括：三极管Q20、稳压管D2、稳压管D11、二极管D14、二极管D16、二极管D18、二极管D20、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R34和电容C6；其中，

所述二极管D18、所述电容C6、所述二极管D20和所述电阻R34依次串联后，连接在所述三极管Q20的集电极和基极之间；

所述二极管D18与所述电容C6连接的节点处，依次通过二极管D14、电阻R22连接至三极管Q20的发射极；

所述稳压管D11连接在三极管的发射极和集电极之间；

所述电容C6与所述二极管D20连接的节点处，依次通过二极管D16、电阻R23连接至所述SiC MOSFET的栅极；

所述二极管D20与所述电阻R34连接的节点处，连接至接地端；

所述电阻R24连接在所述三极管Q20的发射极和基极之间；

所述三极管Q20的发射极通过稳压管D2连接至所述SiC MOSFET的漏极。

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