CN113067571A - 改善关断特性的碳化硅mosfet驱动电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改善关断特性的碳化硅MOSFET驱动电路及控制方法。驱动电路，包括：PWM驱动模块，用于基于接收的PWM信号，向碳化硅MOSFET发送驱动信号，还包括：电压变化率控制模块和/或电流变化率控制模块；本发明通过增加电压变化率控制模块，可在碳化硅MOSFET的关电过程的非过冲段通过电压变化率控制模块提高电压变化率，加快漏源极电压的变化速度，缩短漏源极电压变化时间，从而提升关断速度，降低关断损耗；通过电流变化率模块，可在碳化硅MOSFET的关电过程的非过冲段通过电流变化率控制模块提高电流变化率，加快漏极电流的变化速度，缩短漏极电流变化时间，从而提升关断速度，降低关断损耗。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅MOSFET驱动电路，尤其涉及一种改善关断特性的碳化硅MOSFET驱动电路及控制方法。
背景技术
相对于传统的硅基功率器件，碳化硅功率器件具有开关速度快、损耗小、耐温等级高等优势，在电动汽车、航空航天、风力发电等领域有着广阔的应用前景。
在电力电子装置中，由于布线、封装等原因，回路中和碳化硅MOSFET器件自身存在着寄生电感和寄生电容。碳化硅MOSFET开关速度很快，在电路中存在寄生电感、寄生电容的情况下，碳化硅MOSFET极高的电压变化率、电流变化率容易导致电压过冲、电流过冲和震荡问题。
对于传统的驱动电路而言，要想降低关断电压过冲，就需要增加驱动电阻，关断损耗也随之增加。而减小驱动电阻，关断损耗降低，关断电压过冲则会增加。关断损耗与关断电压过冲相互制约。传统的驱动电路无法在实现低关断损耗的同时实现较低的关断电压过冲，需要对其加以改进。
主动驱动电路通过在开关过程中改变驱动参数，能实现比传统驱动电路更好的开关特性，在降低关断损耗的同时，降低关断电压过冲。目前常见的主动驱动电路主要有：变驱动电阻驱动电路，变驱动电压驱动电路，变驱动电流驱动电路等。然而，上述主动驱动电路具有以下缺陷：
(1)变驱动电阻驱动电路主要通过在开关过程中改变驱动电阻的阻值来实现对开关速度的调节，从而在实现低损耗的同时降低过冲。改变驱动电阻阻值主要通过集成阵列或分立元件实现，装置较为复杂。
(2)变驱动电压驱动电路通过在开关过程中改变驱动电压来调节开关速度，从而实现低损耗与低过冲，但驱动电压调节装置较为复杂，如果驱动电压调节装置故障，将使碳化硅MOSFET失控，引入了新的不可靠因素。
(3)变驱动电流驱动电路通过在开关过程中改变驱动电流来调节开关速度，从而在实现高开关速度、低损耗的同时降低过冲。变驱动电流驱动电路的实现需要电流放大装置，和现有的传统电压源型驱动电路兼容性较差。
发明内容
为了解决上述技术问题的至少一个，本发明提供一种改善关断特性的碳化硅MOSFET驱动电路及控制方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明的实施例提供了一种改善关断特性的碳化硅MOSFET驱动电路，包括：
PWM驱动模块，用于基于接收的PWM信号，向碳化硅MOSFET发送驱动信号，以控制所述碳化硅MOSFET的通断；还包括：
电压变化率控制模块，包括电压变化率控制电路，基于所述碳化硅MOSFET的漏源极电压的变化，改变所述电压变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率；和/或
电流变化率控制模块，包括电流变化率控制电路，基于所述碳化硅MOSFET的漏极电流的变化，改变所述电流变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏极电流变化率。
作为优选的实施方式，所述基于所述碳化硅MOSFET的漏源极电压的变化，改变所述电压变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率，包括：
当所述漏源极电压上升到第一设定值时，所述电压变化率控制电路接通，以增加所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率；
当所述漏源极电压上升到第二设定值时，所述电压变化率控制电路断开，以降低所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率。
作为优选的实施方式，基于所述碳化硅MOSFET的漏极电流的变化，改变所述电流变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏极电流变化率，包括：
当所述漏极电流下降到第三设定值时，所述电流变化率控制电路接通，以增加所述漏极电流变化率；
当所述漏极电流下降到第四设定值时，所述电流变化率控制电路断开，以降低所述漏极电流变化率。
作为优选的实施方式，所述电压变化率控制模块，还包括漏源极电压检测电路，所述漏源极电压检测电路的两个输入端分别与所述碳化硅MOSFET的漏极和源极相连，所述漏源极电压检测电路的输出端与所述电压变化率控制电路的输入端相连，所述电压变化率控制电路的输出端与所述碳化硅MOSFET的栅极相连。
作为优选的实施方式，所述电流变化率控制模块，还包括漏极电流检测电路，所述漏极电流检测电路的输入端与碳化硅MOSFET的漏极相连，所述漏极电流检测电路的输出端与所述电流变化率控制电路的输入的相连，所述电流变化率控制电路的输出端与所述碳化硅MOSFET的栅极相连。
作为优选的实施方式，所述电压变化率控制电路，包括：第一电压比较模块、第一辅助MOSFET和第一RC并联电路；
所述第一电压比较模块的输入端与所述漏源极电压检测电路的输出端相连，所述第一电压比较模块的两个输出端分别连接于所述第一辅助MOSFET的栅极和源极；
所述第一RC并联电路包括并联的第一电阻和第一电容；所述第一RC并联电路的一端接地，另一端与所述第一辅助MOSFET的源极相连；
所述第一辅助MOSFET的漏极与碳化硅MOSFET的栅极相连。
作为优选的实施方式，所述电流变化率控制电路，包括：
第二电压比较模块、第二辅助MOSFET和第二RC并联电路；第二电压比较模块输入端与所述漏极电流检测电路的输出端相连，所述第二电压比较模块的两个输出端分别连接于所述第二辅助MOSFET的栅极和源极；
所述第二RC并联电路包括并联的第二电阻和第二电容；所述第二RC并联电路的一段接地，另一端与所述第二辅助MOSFET的源极相连；
所述第二辅助MOSFET的漏极与所述碳化硅MOSFET的栅极相连。
作为优选的实施方式，所述第一电压比较模块包括：第一电压比较器、第二电压比较器、第一与门和第一栅极驱动电路；
所述第一电压比较器的反相输入端和所述第二电压比较器的同相输入端相连作为所述第一电压比较模块的输入端，与所述漏源极电压检测电路的输出端相连；
所述第一电压比较器的同相输入端与第一参考电压相连，所述第二电压比较器的反相输入端与第二参考电压相连；
所述第一电压比较器的输出端与所述第一与门的第一输入端相连；所述第二电压比较器的输出端与所述第一与门的第二输入端相连；
所述第一与门输出端与所述第一栅极驱动电路的输入端相连；所述第一栅极驱动电路的两个输出端作为所述第一电压比较模块的两个输出端，分别连接于所述第一辅助MOSFET的栅极和源极。
作为优选的实施方式，所述第二电压比较模块包括：第三电压比较器、第四电压比较器、第二与门和第二栅极驱动电路；
所述第三电压比较器的反相输入端和所述第四电压比较器的同相输入端相连作为所述第二电压比较模块的输入端，与所述漏极电流检测电路的输出端相连；
所述第三电压比较器的同相输入端与第三参考电压相连，所述第四电压比较器的反相输入端与第四参考电压相连；
所述第三电压比较器的输出端与所述第二与门的第一输入端相连，所述第四电压比较器的输出端与所述第二与门的第二输入端相连；
所述第二与门的输出端与所述第二栅极驱动电路的输入端相连，所述第二栅极驱动电路的两个输出端作为所述第二电压比较模块的两个输出端，分别连接于所述第二辅助MOSFET的栅极和源极。
作为优选的实施方式，所述漏源极电压检测电路包括：第三电阻、第四电阻和第一运算放大器；
所述第三电阻的一端作为所述漏源极电压检测电路的一输入端与所述碳化硅MOSFET的漏极相连，所述第三电阻的另一端与所述第四电阻的一端以及所述第一运算放大器的同相输入端相连；
所述第四电阻的另一端作为所述漏源极电压检测电路的另一输入端与所述碳化硅MOSFET的源极相连；
所述第一运算放大器的反相输入端与其输出端相连作为所述漏源极电压检测电路的输出端。
作为优选的实施方式，所述漏极电流检测电路包括：检流电阻，第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第二运算放大器；
所述检流电阻的一端与所述碳化硅MOSFET源极以及所述第五电阻的一端相连；所述检流电阻的另一端与所述第七电阻一端相连；
所述第五电阻的另一端与所述第六电阻的一端及所述第二运算放大器的同相输入端相连，所述第六电阻的另一端接地；
所述第七电阻另一端与所述第八电阻的一端及所述第二运算放大器的反相输入端相连，所述第八电阻的另一端与第二运算放大器的输出端相连作为所述漏极电流检测电路的输出端。
第二方面，本发明的实施例提供了一种碳化硅MOSFET驱动电路的控制方法，包括：
基于接收的PWM信号，向碳化硅MOSFET发送驱动信号，以控制所述碳化硅MOSFET的通断；还包括：
基于所述碳化硅MOSFET的漏源极电压的变化，改变所述电压变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率；和/或
基于所述碳化硅MOSFET的漏极电流的变化，改变所述电流变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏极电流变化率。
作为优选的实施方式，所述基于所述碳化硅MOSFET的漏源极电压的变化，改变所述电压变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率，包括：
当所述漏源极电压上升到第一设定值时，所述电压变化率控制电路接通，以增加所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率；
当所述漏源极电压上升到第二设定值时，所述电压变化率控制电路断开，以降低所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率。
作为优选的实施方式，所述基于所述碳化硅MOSFET的漏极电流的变化，改变所述电流变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏极电流变化率，包括：
当所述漏极电流下降到第三设定值时，所述电流变化率控制电路接通，以增加所述漏极电流变化率；
当所述漏极电流下降到第四设定值时，所述电流变化率控制电路断开，以降低所述漏极电流变化率。
和现有技术相比，本发明至少具有如下优点：
本发明的实施例通过增加电压变化率控制模块，可在碳化硅MOSFET的关电过程的非过冲段通过电压变化率控制模块提高电压变化率，加快漏源极电压的变化速度，缩短漏源极电压变化时间，从而提升关断速度，降低关断损耗；
通过电流变化率模块，可在碳化硅MOSFET的关电过程的非过冲段通过电流变化率控制模块提高电流变化率，加快漏极电流的变化速度，缩短漏极电流变化时间，从而提升关断速度，降低关断损耗。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1为本发明的驱动电路的原理示意框图；
图2为本发明的驱动电路的组成结构示意框图；
图3为本发明的驱动电路的电路组成结构及连接关系示意图；
图4为本发明的第一电压比较模块结构组成示意图；
图5为本发明的第二电压比较模块结构组成示意图。
图6为本发明的碳化硅MOSFET驱动电路关断过程各时段的电压电流波形示意图；
图7为本发明的驱动电路与传统驱动电路驱动下碳化硅MOSFET关断过程漏源极电压波形对比；
图8为本发明的驱动电路与传统驱动电路驱动下碳化硅MOSFET关断过程漏极电流波形对比；
图9为本发明的驱动电路与传统驱动电路驱动下碳化硅MOSFET关断过程栅极电流对比。
图10是本发明的方法的流程示意图；
图中：PWM驱动模块1；电压变化率控制模块2；电流变化率控制模块3；PWM驱动电路11；电压变化率控制电路21；漏源极电压检测电路22；电流变化率控制电路31；漏极电流检测电路32。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
需要说明的是，文中的步骤编号，仅为了方便具体实施例的解释，不作为限定步骤执行先后顺序的作用。本实施例提供的方法可以由相关的服务器执行，且下文均以服务器或计算机等电子设备作为执行主体为例进行说明。
实施例一
参照图1和图2，本发明的实施例提供了一种改善关断特性的碳化硅MOSFET驱动电路，包括：
PWM驱动模块1，用于基于接收的PWM信号，向碳化硅MOSFET M0发送驱动信号，以控制所述碳化硅MOSFET M0的通断；还包括：
电压变化率控制模块2，包括电压变化率控制电路21，基于所述碳化硅MOSFET M0的漏源极电压的变化，改变所述电压变化率控制电路21的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET M0的漏源极电压变化率；和/或
电流变化率控制模块3，包括电流变化率控制电路31，基于所述碳化硅MOSFET M0的漏极电流的变化，改变所述电流变化率控制电路31的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET M0的漏极电流变化率。
本发明的实施例通过在现有驱动电路的基础上，通过增加电压变化率控制模块2，可在碳化硅MOSFET M0的关电过程的非过冲段通过电压变化率控制模块2提高电压变化率，加快漏源极电压的变化速度，缩短漏源极电压变化时间，从而提升关断速度，降低关断损耗；
通过增加电流变化率模块，可在碳化硅MOSFET M0的关电过程的非过冲段通过电流变化率控制模块3提高电流变化率，加快漏极电流的变化速度，缩短漏极电流变化时间，从而提升关断速度，降低关断损耗。
以此同时，在碳化硅MOSFET M0的关电过程的过冲段，可切断电压变化率控制模块2和电流变化率控制模块3，采用传统的驱动电路降低关断电压过充，提升碳化硅MOSFET M0的效率和可靠性。
参照图1和图2，作为本实施例的优选实施方式，PWM驱动模块1包括PWM驱动电路11和驱动电阻Rg，所述PWM驱动电路11的输入端与控制器相连，用于接收PWM信号(PWM信号)，PWM驱动电路11的输出端与驱动电阻Rg的一端相连，驱动电阻Rg的另一端作为PWM驱动模块1的输出端与碳化硅MOSFET M0栅极相连。其中，PWM驱动电路11可由现有的驱动电路构成。
作为本实施例的可选实施方式，基于所述碳化硅MOSFET M0的漏源极电压的变化，改变所述电压变化率控制电路21的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET M0的漏源极电压变化率，包括：
当所述漏源极电压上升到第一设定值时，所述电压变化率控制电路21接通，以增加所述碳化硅MOSFET M0的漏源极电压变化率；加快漏源极电压上升速度，缩短漏源极电压上升时间，从而降低关断损耗；
当所述漏源极电压上升到第二设定值时，所述电压变化率控制电路21断开，以降低所述碳化硅MOSFET M0的漏源极电压变化率，促使关断速度降低，从而降低电压过冲。
参照图1至图5，作为本实施例的优选实施方式，所述电压变化率控制模块2，还包括漏源极电压检测电路22，所述漏源极电压检测电路22的两个输入端分别与所述碳化硅MOSFET M0的漏极和源极相连，所述漏源极电压检测电路22的输出端与所述电压变化率控制电路21的输入端相连，所述电压变化率控制电路21的输出端与所述碳化硅MOSFET M0的栅极相连。
所述电压变化率控制电路21，包括：第一电压比较模块、第一辅助MOSFET M1和第一RC并联电路；
所述第一电压比较模块的输入端与所述漏源极电压检测电路22的输出端相连，所述第一电压比较模块的两个输出端分别连接于所述第一辅助MOSFET M1的栅极和源极；
所述第一RC并联电路包括并联的第一电阻R1和第一电容C1；所述第一RC并联电路的一端接地，另一端与所述第一辅助MOSFET M1的源极相连；
所述第一辅助MOSFET的漏极与碳化硅MOSFET M0的栅极相连。
所述第一电压比较模块包括：第一电压比较器CP1、第二电压比较器CP2、第一与门AND1和第一栅极驱动电路GD1；
所述第一电压比较器CP1的反相输入端和所述第二电压比较器CP2的同相输入端相连作为所述第一电压比较模块的输入端，与所述漏源极电压检测电路22的输出端相连；
所述第一电压比较器CP1的同相输入端与第一参考电压Vref1相连，所述第二电压比较器CP2的反相输入端与第二参考电压Vref2相连；
所述第一电压比较器CP1的输出端与所述第一与门AND1的第一输入端相连；所述第二电压比较器CP2的输出端与所述第一与门AND1的第二输入端相连；
所述第一与门AND1输出端与所述第一栅极驱动电路GD1的输入端相连；所述第一栅极驱动电路GD1的两个输出端作为所述第一电压比较模块的两个输出端，分别连接于所述第一辅助MOSFET M1的栅极和源极。
参照图1至图5，本发明的实施例中，母线电压为VDC，本发明的实施例中，第一设定值为k1*VDC；第二设定值为k2*VDC；当碳化硅MOSFET M0的漏源极之间的漏源极电压Vds上升到第一设定值k1*VDC时，第一电压比较模块输出高电平信号，第一辅助MOSFET M1开通，部分栅极电流给第一电容C1充电,经由与第一电容C1并联的第一电阻R1分流，栅极电流增加，增加漏源极电压变化率，加快漏源极电压上升速度，减小关断损耗；当漏源极电压Vds上升到第二设定值k2*VDC时，第一电压比较模块输出低电平信号，第一辅助MOSFET M1关断，栅极电流减小，降低关断速度，从而降低电压过冲。
参照图1至图5，作为本实施例的可选实施方式，基于所述碳化硅MOSFET M0的漏极电流的变化，改变所述电流变化率控制电路31的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET M0的漏极电流变化率，包括：
当所述漏极电流下降到第三设定值时，所述电流变化率控制电路31接通，以增加所述漏极电流变化率，加快漏极电流下降速度，缩短漏极电流下降时间，从而降低关断损耗；
当所述漏极电流下降到第四设定值时，所述电流变化率控制电路31断开，以降低所述漏极电流变化率，降低漏极电流下降速度，减小关断电流震荡。
作为本实施例的优选实施方式，所述电流变化率控制模块3，还包括漏极电流检测电路32，所述漏极电流检测电路32的输入端与碳化硅MOSFET M0的漏极相连，所述漏极电流检测电路32的输出端与所述电流变化率控制电路31的输入的相连，所述电流变化率控制电路31的输出端与所述碳化硅MOSFET M0的栅极相连。
所述电流变化率控制电路31，包括：
第二电压比较模块、第二辅助MOSFET M2和第二RC并联电路；第二电压比较模块输入端与所述漏极电流检测电路32的输出端相连，所述第二电压比较模块的两个输出端分别连接于所述第二辅助MOSFET M2的栅极和源极；所述第二RC并联电路包括并联的第二电阻R2和第二电容C2；所述第二RC并联电路的一段接地，另一端与所述第二辅助MOSFET M2的源极相连；所述第二辅助MOSFET M2的漏极与所述碳化硅MOSFET M0的栅极相连。
所述第二电压比较模块包括：第三电压比较器CP3、第四电压比较器CP4、第二与门AND2和第二栅极驱动电路GD2；
所述第三电压比较器CP3的反相输入端和所述第四电压比较器CP4的同相输入端相连作为所述第二电压比较模块的输入端，与所述漏极电流检测电路32的输出端相连；
所述第三电压比较器CP3的同相输入端与第三参考电压Vref3相连，所述第四电压比较器CP4的反相输入端与第四参考电压Vref4相连；
所述第三电压比较器CP3的输出端与所述第二与门AND2的第一输入端相连，所述第四电压比较器CP4的输出端与所述第二与门AND2的第二输入端相连；
所述第二与门AND2的输出端与所述第二栅极驱动电路GD2的输入端相连，所述第二栅极驱动电路GD2的两个输出端作为所述第二电压比较模块的两个输出端，分别连接于所述第二辅助MOSFET M2的栅极和源极。
参照图1至图5，本发明的实施例中，负载电流为IL；第三设定值为k3*IL；第四设定值为k4*IL；
当漏极电流Id下降到第三设定值k3*IL时，第二辅助MOSFET M2开通，部分栅极电流Ig给第二电容C2充电，经由与第二电容C2并联的第二电阻R2分流，栅极电流Ig增加，加快漏极电流下降速度，减小关断损耗；当漏极电流Id下降到设定值k4*IL时，第二辅助MOSFET M2关断，栅极电流减小，降低漏极电流下降速度，减小关断电流震荡。
参照图1至图4，作为本实施例的优选实施方式，所述漏源极电压检测电路22包括：第三电阻R3、第四电阻R4和第一运算放大器U1；
所述第三电阻R3的一端作为所述漏源极电压检测电路22的一输入端与所述碳化硅MOSFET M0的漏极相连，所述第三电阻R3的另一端与所述第四电阻R4的一端以及所述第一运算放大器U1的同相输入端相连；
所述第四电阻R4的另一端作为所述漏源极电压检测电路22的另一输入端与所述碳化硅MOSFET M0的源极相连；
所述第一运算放大器U1的反相输入端与其输出端相连作为所述漏源极电压检测电路22的输出端。
参照图1至图5，作为优选的实施方式，所述漏极电流检测电路32包括：检流电阻Rshunt，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第二运算放大器U2；
所述检流电阻Rshunt的一端与所述碳化硅MOSFET M0源极以及所述第五电阻R5的一端相连；所述检流电阻Rshunt的另一端与所述第七电阻R7一端相连；
所述第五电阻R5的另一端与所述第六电阻R6的一端及所述第二运算放大器U2的同相输入端相连，所述第六电阻R6的另一端接地；
所述第七电阻R7的另一端与所述第八电阻R8的一端及所述第二运算放大器U2的反相输入端相连，所述第八电阻R8的另一端与第二运算放大器U2的输出端相连作为所述漏极电流检测电路32的输出端。
参照图1至图5，作为本实施例的可选实施方式，所述第一运算算器U1可采用THS4211D高速运算放大器，其具有1GHz的增益带宽积，具有高带宽，低失真等优点。检流电阻Rshunt可采用高精度、寄生电感小、温漂低的采样电阻。第二运算放大器U2可采用超低噪声高带宽电压反馈放大器。
本实施例中，k1,k2的取值需要满足
10k1<k2<1，其中Vds(on)为碳化硅MOSFET M0的导通压降；k3,k4的取值需要满足0<k4<k3<1；
Vref1＝(R4/(R3+R4))*k1*VDC；
Vref2＝(R4/(R3+R4))*k2*VDC；
Vref3＝(R8/R7)*Rshunt*IL*k3；
Vref4＝(R8/R7)*Rshunt*IL*k4。
参照图1至图6，基于本实施例的上述方案，碳化硅的关断过程可分为8个阶段，分别对各阶段工作原理进行说明如下：
(1)t1-t2阶段：关断延迟阶段，t1时刻，PWM驱动电路11输出电压从高电平VCC跳变到0，碳化硅MOSFET M0的栅源极电压Vgs逐渐下降。
(2)t2-t3阶段：漏源极电压上升段的第一阶段，漏源极电压Vds逐渐上升，栅源极电压Vgs保持在米勒平台电压VMiLLer不变，t3时刻，漏源极电压Vds上升到设定值k1*VDC。
(3)t3-t4阶段：漏源极电压上升段的第二阶段，t3时刻，漏源极电压Vds上升到设定值k1*VDC，第一辅助MOSFET M1，碳化硅MOSFET M0的部分栅极电流Ig给电容C1充电，充电电流为IC1，经由与电容C1并联的电阻R1分流，栅极电流Ig增加，增加电压变化率，加快电压上升速度，减小关断损耗，t4时刻，漏源极电压Vds上升到设定值k2*VDC，第一辅助MOSFET M1断开，栅极电流Ig减小。
(4)t4-t5阶段：漏源极电压上升段的第三阶段，t4时刻，漏源极电压Vds上升到设定值k2*VDC，第一辅助MOSFET M1，栅极电流Ig减小，之后碳化硅MOSFET M0以较低速度继续关断，t5时刻漏源极电压Vds上升到母线电压VDC，由于寄生电感的存在，漏源极电压会出现电压尖峰。
(5)t5-t6阶段：漏极电流下降段的第一阶段，漏极电流Id从负载电流IL开始逐渐下降，栅源极电压Vgs逐渐下降，t6时刻，漏极电流Id下降到设定值k3*IL。
(6)t6-t7阶段：漏极电流下降段的第二阶段。漏极电流Id逐渐下降，栅源极电压Vgs逐渐下降；t6时刻，漏极电流Id下降到设定值k3*IL，第二辅助MOSFET M2开通，碳化硅MOSFETM0的部分栅极电流Ig给电容C2充电，充电电流为IC2，经由与电容C2并联的电阻R2分流，栅极电流Ig增加，加快电流下降速度，减小关断损耗。t7时刻，漏极电流Id下降到设定值k4*IL，第二辅助MOSFET M2断开，栅极电流减小，降低电流下降速度，减小关断电流震荡。
(7)t7-t8阶段：漏极电流下降段的第三阶段。t7时刻，第二辅助MOSFET M2断开，栅极电流减小。漏极电流Id继续下降，t8时刻，漏极电流Id下降到0。
(8)t8-t9阶段：栅源极电压下降阶段。此阶段碳化硅MOSFET M0栅源极电压继续下降。t9时刻，碳化硅MOSFET M0栅源极电压继续下降到关断负压-VEE。
综上，本发明的实施例通过电压变化率控制电路21和电流变化率控制电路31的通断，从而控制碳化硅MOSFET M0的栅极电流，从而控制关断速度，在实现高关断速度，低关断损耗的同时，降低了电压过冲。本发明的实施例同时在碳化硅MOSFET M0的过冲段(尖峰段)采用常规电阻型驱动，关断速度较低，关断电压过冲不增加。经过实验，在300V，30A，20欧姆驱动电阻Rg条件下，在LTspice软件中，以CREE公司的C3M0021120K的碳化硅MOSFET M0为例，对传统驱动电路与所提出的驱动电路进行仿真，两者的关断电压电流波形对比如图7、图8和图9所示。传统驱动电路的关断电压过冲为2.7V，关断损耗为278.771uJ。而本发明的实施例所提出的驱动电路关断电压过冲为2.67V，关断损耗仅为130.704uJ。在相同条件下，相比于传统的驱动电路，本发明所提出的驱动电路驱动下碳化硅MOSFET M0的关断电压过冲降低了1.1％，关断损耗降低了53.1％。
本发明的碳化硅MOSFET驱动电路可以显著提升碳化硅MOSFET M0的关断速度，降低碳化硅MOSFET M0的关断损耗，同时降低关断过程中的漏源极电压过冲，可以提升碳化硅MOSFET M0的效率和可靠性。
实施例二：
参照图1、图2、图3和图10，本施例提供一种碳化硅MOSFET驱动电路的控制方法，包括：
基于接收的PWM信号，向碳化硅MOSFET M0发送驱动信号，以控制所述碳化硅MOSFET M0的通断；还包括：
基于所述碳化硅MOSFET M0的漏源极电压的变化，改变所述电压变化率控制电路21的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET M0的漏源极电压变化率；和/或
基于所述碳化硅MOSFET M0的漏极电流的变化，改变所述电流变化率控制电路31的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET M0的漏极电流变化率。
作为优选的实施方式，所述基于所述碳化硅MOSFET M0的漏源极电压的变化，改变所述电压变化率控制电路21的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET M0的漏源极电压变化率，包括：
当所述漏源极电压上升到第一设定值时，所述电压变化率控制电路21接通，以增加所述碳化硅MOSFET M0的漏源极电压变化率；
当所述漏源极电压上升到第二设定值时，所述电压变化率控制电路21断开，以降低所述碳化硅MOSFET M0的漏源极电压变化率。
作为优选的实施方式，所述基于所述碳化硅MOSFET M0的漏极电流的变化，改变所述电流变化率控制电路31的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET M0的漏极电流变化率，包括：
当所述漏极电流下降到第三设定值时，所述电流变化率控制电路31接通，以增加所述漏极电流变化率；
当所述漏极电流下降到第四设定值时，所述电流变化率控制电路31断开，以降低所述漏极电流变化率。
本实施例的原理和功能与实施例一中的基本一致，本实施例不再重复描述。
需要说明的是，本发明以碳化硅MOSFET为例，但其原理的应用不限于碳化硅MOSFET，也可适用于其他功率半导体器件。
应理解的是，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。上述实施例方法的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
本发明的流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分。并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能。
本发明在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。
本发明术语“第一”、“第二”……“第N”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”……“第N”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种改善关断特性的碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，包括：
PWM驱动模块，用于基于接收的PWM信号，向碳化硅MOSFET发送驱动信号，以控制所述碳化硅MOSFET的通断；还包括：
电压变化率控制模块，包括电压变化率控制电路，基于所述碳化硅MOSFET的漏源极电压的变化，改变所述电压变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率；和/或
电流变化率控制模块，包括电流变化率控制电路，基于所述碳化硅MOSFET的漏极电流的变化，改变所述电流变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏极电流变化率。
2.如权利要求1所述的碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，所述基于所述碳化硅MOSFET的漏源极电压的变化，改变所述电压变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率，包括：
当所述漏源极电压上升到第一设定值时，所述电压变化率控制电路接通，以增加所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率；
当所述漏源极电压上升到第二设定值时，所述电压变化率控制电路断开，以降低所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率。
3.如权利要求1所述的碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，基于所述碳化硅MOSFET的漏极电流的变化，改变所述电流变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏极电流变化率，包括：
当所述漏极电流下降到第三设定值时，所述电流变化率控制电路接通，以增加所述漏极电流变化率；
当所述漏极电流下降到第四设定值时，所述电流变化率控制电路断开，以降低所述漏极电流变化率。
4.如权利要求1所述的碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，所述电压变化率控制模块，还包括漏源极电压检测电路，所述漏源极电压检测电路的两个输入端分别与所述碳化硅MOSFET的漏极和源极相连，所述漏源极电压检测电路的输出端与所述电压变化率控制电路的输入端相连，所述电压变化率控制电路的输出端与所述碳化硅MOSFET的栅极相连。
5.如权利要求1所述的碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，所述电流变化率控制模块，还包括漏极电流检测电路，所述漏极电流检测电路的输入端与碳化硅MOSFET的漏极相连，所述漏极电流检测电路的输出端与所述电流变化率控制电路的输入的相连，所述电流变化率控制电路的输出端与所述碳化硅MOSFET的栅极相连。
6.如权利要求1所述的碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，所述电压变化率控制电路，包括：第一电压比较模块、第一辅助MOSFET和第一RC并联电路；
所述第一电压比较模块的输入端与所述漏源极电压检测电路的输出端相连，所述第一电压比较模块的两个输出端分别连接于所述第一辅助MOSFET的栅极和源极；
所述第一RC并联电路包括并联的第一电阻和第一电容；所述第一RC并联电路的一端接地，另一端与所述第一辅助MOSFET的源极相连；
所述第一辅助MOSFET的漏极与碳化硅MOSFET的栅极相连。
7.如权利要求1所述的碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，所述电流变化率控制电路，包括：
第二电压比较模块、第二辅助MOSFET和第二RC并联电路；第二电压比较模块输入端与所述漏极电流检测电路的输出端相连，所述第二电压比较模块的两个输出端分别连接于所述第二辅助MOSFET的栅极和源极；
所述第二RC并联电路包括并联的第二电阻和第二电容；所述第二RC并联电路的一段接地，另一端与所述第二辅助MOSFET的源极相连；
所述第二辅助MOSFET的漏极与所述碳化硅MOSFET的栅极相连。
8.一种碳化硅MOSFET驱动电路的控制方法，其特征在于，包括：
基于接收的PWM信号，向碳化硅MOSFET发送驱动信号，以控制所述碳化硅MOSFET的通断；还包括：
基于所述碳化硅MOSFET的漏源极电压的变化，改变所述电压变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率；和/或
基于所述碳化硅MOSFET的漏极电流的变化，改变所述电流变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏极电流变化率。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于所述碳化硅MOSFET的漏源极电压的变化，改变所述电压变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率，包括：
当所述漏源极电压上升到第一设定值时，所述电压变化率控制电路接通，以增加所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率；
当所述漏源极电压上升到第二设定值时，所述电压变化率控制电路断开，以降低所述碳化硅MOSFET的漏源极电压变化率。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于所述碳化硅MOSFET的漏极电流的变化，改变所述电流变化率控制电路的通断状态，以改变所述碳化硅MOSFET的漏极电流变化率，包括：
当所述漏极电流下降到第三设定值时，所述电流变化率控制电路接通，以增加所述漏极电流变化率；
当所述漏极电流下降到第四设定值时，所述电流变化率控制电路断开，以降低所述漏极电流变化率。
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