CN210297542U - 一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路。本实用新型的驱动电路包括G极驱动电路、S极驱动电路以及设在G极驱动电路与S极驱动电路之间的电容，所述的G极驱动电路包括正压电源、两个控制G极电压状态的第一G极开关管、第二G极开关管和开通、关断电阻，所述的正压电源、第一G极开关管、开通电阻、关断电阻_f、第二G极开关管按顺序依次串联；所述的S极驱动电路包括负压电源和两个控制S极电压状态的第一S极开关管、第二S极开关管；所述的负压电源、第一S极开关管和第二S极开关管按顺序依次串联。本实用新型减轻了栅源极并联电容对于开关速度的影响，有效抑制了桥臂串扰问题。

Description

一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，涉及SiC功率器件，具体地说是一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路。

背景技术

SiC功率器件工作电压高、开关速度快、工作温度高，有利于提升电力电子变换器的效率及功率密度，应用前景广阔。但是SiC功率器件的高开关速度势必会造成高的电压/电流变化率，从而使得寄生参数对SiC功率器件开关特性的影响变得明显，产生的桥臂串扰问题严重影响SiC功率器件的可靠性，限制了SiC功率器件高开关速度的优势。因此为实现SiC功率器件高速可靠的应用，首先必须要解决串扰问题。

桥式电路是电力电子变换器中常用结构，称处于关断状态的MOSFET为被动管，处于开关状态的MOSFET为主动管。随着器件开关速度的提高，桥式电路中主动管开通和关断过程中，处于关断状态的被动管栅源极电压发生变化，部分栅源极结电容的位移电流流过栅源极结电容，使被动管栅源极电压发生变化，出现正向尖峰或负向尖峰，称此为串扰问题。栅源极电压正向尖峰可能引起不完全导通，增加开关损耗，严重时造成桥臂短路；栅源极电压负向尖峰可能造成功率器件的栅源极击穿(一般负向安全电压为6-7V左右)，损坏器件。因此急需解决串扰问题。

现有的一种SiC功率器件驱动电路，如图1所示，由于SiC功率器件正向阈值电压和负向安全电压较小，导致驱动负压的可选区间较小；并且该驱动电路无法调节关断栅极电阻，从而无法调节功率器件的关断速度。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路，其使用输出分离式驱动器区分开通、判断支路，以减轻栅源极并联电容对于开关速度的影响，有效抑制桥臂串扰问题，实现SiC功率器件高速可靠的应用。

为此，本实用新型采用如下的技术方案：一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路，包括G极驱动电路、S极驱动电路以及设在G极驱动电路与S极驱动电路之间的电容；

所述的G极驱动电路包括正压电源V_GS、两个控制G极电压状态的第一G极开关管S₁、第二G极开关管S₂和开通、关断电阻R_gon、R_goff，所述的正压电源V_GS、第一G极开关管S₁、开通电阻R_gon、关断电阻R_goff、第二G极开关管S₂按顺序依次串联；

所述的S极驱动电路包括负压电源V_SS和两个控制S极电压状态的第一S极开关管S_a1、第二S极开关管S_a2；所述的负压电源V_SS、第一S极开关管S_a1和第二S极开关管S_a2按顺序依次串联；

所述电容的一端连接在开通电阻R_gon与关断电阻R_goff之间的G极驱动电路上，另一端连接在第一S极开关管S_a1与第二S极开关管S_a2之间的S极驱动电路上。

为了保证由于串扰问题引起的栅源极电压正向尖峰不超过SiC功率器件的阈值电压U_th，电压负向尖峰不超过负向安全电压U_{GS_MAX(}-)。在栅源极电压出现正向尖峰时驱动电路采用负压关断，在栅源极电压出现负向尖峰时驱动电路采用0V关断。但是SiC功率器件的阈值电压和栅源极负向安全电压均较低(900V SiC功率器件的阈值电压和栅源极负向安全电压分别为1.75V和-8V)，对于高电压、电流变化率的应用场合可能会出现正向电压尖峰超出阈值电压或者负向电压尖峰超出栅源极负向安全电压。

因此，需要在SiC功率器件的栅源极并上一个比栅源极结电容大的电容，在栅源极之间形成一条阻抗很小的支路，那么串扰现象发生时该支路流过的电流分量会远大于流过栅源极结电容上的电流分量，减小了串扰问题引起的栅源极电压尖峰幅值。

基于以上所述，根据区分开通电阻R_gon和关断电阻R_goff方式的不同，本实用新型使用输出分离式驱动器进行区分，减轻了栅源极并联电容对于开关速度的影响，有效抑制桥臂串扰问题，实现SiC功率器件高速可靠的应用。此方式没有受二极管特性的影响，并且驱动回路短，栅极寄生电感小。

由于驱动电路采用栅源极正向电压尖峰时负压关断，负向电压尖峰时0V关断，栅源极并联电容不需要太大，对开关速度的影响也较小。

作为上述技术方案的补充，所述的桥臂包括上管Q₁和下管Q₂，上管Q₁连接Q₁驱动电路，下管Q₂连接Q₂驱动电路；

所述的Q₁驱动电路包括上管G极驱动电路、上管S极驱动电路以及设在上管G极驱动电路与上管S极驱动电路之间的上电容C_H；

所述的Q₂驱动电路包括下管G极驱动电路、下管S极驱动电路以及设在下管G极驱动电路与下管S极驱动电路之间的下电容C_L。

作为上述技术方案的补充，所述的上管G极驱动电路包括上管正压电源V_{GS_H}、两个控制G极电压状态的第一上管G极开关管S_{1_H}、第二上管G极开关管S_{2_H}和上管开通、关断电阻R_{gon_H}、R_{goff_H}，所述的上管正压电源V_{GS_H}、第一上管G极开关管S_{1_H}、上管开通电阻R_{gon_H}、上管关断电阻R_{goff_H}、第二上管G极开关管S_{2_H}按顺序依次串联。

作为上述技术方案的补充，所述的上管S极驱动电路包括上管负压电源V_{SS_H}和两个控制S极电压状态的第一上管S极开关管S_{a1_H}、第二上管S极开关管S_{a2_H}；所述的上管负压电源V_{SS_H}、第一上管S极开关管S_{a1_H}和第二上管S极开关管S_{a2_H}按顺序依次串联。

作为上述技术方案的补充，所述上电容C_H的一端连接在开通电阻R_{gon_H}与关断电阻R_{goff_H}之间的G极驱动电路上，另一端连接在第一上管S极开关管S_{a1_H}与第二上管S极开关管S_{a2_H}之间的S极驱动电路上。

作为上述技术方案的补充，所述的下管G极驱动电路包括下管正压电源V_{GS_L}、两个控制G极电压状态的第一下管G极开关管S_{1_L}、第二下管G极开关管S_{2_L}和下管开通、关断电阻R_{gon_L}、R_{goff_L}，所述的下管正压电源V_{GS_L}、第一下管G极开关管S_{1_L}、下管开通电阻R_{gon_L}、下管关断电阻R_{goff_L}、第二下管G极开关管S_{2_L}按顺序依次串联。

作为上述技术方案的补充，所述的下管S极驱动电路包括下管负压电源V_{SS_L}和两个控制S极电压状态的第一下管S极开关管S_{a1_L}、第二下管S极开关管S_{a2_L}；所述的下管负压电源V_{SS_L}、第一下管S极开关管S_{a1_L}和第二下管S极开关管S_{a2_L}按顺序依次串联。

作为上述技术方案的补充，所述下电容C_L的一端连接在下管开通电阻R_{gon_L}与下管关断电阻R_{goff_L}之间的G极驱动电路上，另一端连接在第一下管S极开关管S_{a1_L}与第二下管S极开关管S_{a2_L}之间的S极驱动电路上。

本实用新型具有的有益效果如下：本实用新型设计的驱动电路简单易行、驱动回路短、栅极寄生电感小，避免了由于SiC功率器件正向阈值电压和负向安全电压较小导致驱动负压的可选区间较小的问题，减轻了栅源极并联电容对于开关速度的影响，有效抑制了桥臂串扰问题，实现了SiC功率器件高速可靠的应用。

附图说明

图1为现有的一种SiC功率器件驱动电路的电路图；

图2为本实用新型一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路的电路图；

图3为本实用新型一种SiC功率器件驱动电路的逻辑控制图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

本实施例提供一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路，如图2所示，所述的桥臂包括上管Q₁和下管Q₂，上管Q₁连接Q₁驱动电路，下管Q₂连接Q₂驱动电路。图中上管Q₁的等效电路包括上管Q₁的门极等效电阻R_G1H、栅漏极结电容C_GDH、栅源极结电容C_GSH、漏源极结电容C_DSH以及体二极管D₁，下管Q₂的等效电路包括下管Q₂的门极等效电阻R_G1L、栅漏极结电容C_GDL、栅源极结电容C_GSL、漏源极结电容C_DSL以及体二极管D₂。

所述的Q₁驱动电路包括上管G极驱动电路、上管S极驱动电路以及设在上管G极驱动电路与上管S极驱动电路之间的上电容C_H。

所述的上管G极驱动电路包括上管正压电源V_{GS_H}、两个控制G极电压状态的第一上管G极开关管S_{1_H}、第二上管G极开关管S_{2_H}和上管开通、关断电阻R_{gon_H}、R_{goff_H}，所述的上管正压电源V_{GS_H}、第一上管G极开关管S_{1_H}、上管开通电阻R_{gon_H}、上管关断电阻R_{goff_H}、第二上管G极开关管S_{2_H}按顺序依次串联。

所述的上管S极驱动电路包括上管负压电源V_{SS_H}和两个控制S极电压状态的第一上管S极开关管S_{a1_H}、第二上管S极开关管S_{a2_H}；所述的上管负压电源V_{SS_H}、第一上管S极开关管S_{a1_H}和第二上管S极开关管S_{a2_H}按顺序依次串联。

所述上电容C_H的一端连接在开通电阻R_{gon_H}与关断电阻R_{goff_H}之间的G极驱动电路上，另一端连接在第一上管S极开关管S_{a1_H}与第二上管S极开关管S_{a2_H}之间的S极驱动电路上。

所述的Q₂驱动电路包括下管G极驱动电路、下管S极驱动电路以及设在下管G极驱动电路与下管S极驱动电路之间的下电容C_L。

所述的下管G极驱动电路包括下管正压电源V_{GS_L}、两个控制G极电压状态的第一下管G极开关管S_{1_L}、第二下管G极开关管S_{2_L}和下管开通、关断电阻R_{gon_L}、R_{goff_L}，所述的下管正压电源V_{GS_L}、第一下管G极开关管S_{1_L}、下管开通电阻R_{gon_L}、下管关断电阻R_{goff_L}、第二下管G极开关管S_{2_L}按顺序依次串联。

所述的下管S极驱动电路包括下管负压电源V_{SS_L}和两个控制S极电压状态的第一下管S极开关管S_{a1_L}、第二下管S极开关管S_{a2_L}；所述的下管负压电源V_{SS_L}、第一下管S极开关管S_{a1_L}和第二下管S极开关管S_{a2_L}按顺序依次串联。

所述下电容C_L的一端连接在下管开通电阻R_{gon_L}与下管关断电阻R_{goff_L}之间的G极驱动电路上，另一端连接在第一下管S极开关管S_{a1_L}与第二下管S极开关管S_{a2_L}之间的S极驱动电路上。

上述SiC功率器件驱动电路的控制方法，其将SiC功率器件驱动电路的一个周期分为t₀～t₁、t₁～t₂、t₂～t₃、t₃～t₄四个阶段，下管Q₂为主动管、上管Q₁为被动管时的控制逻辑如下，具体的控制逻辑如图3所示。

t₀～t₁的第一阶段：第二下管G极开关管S_{2_L}和第二下管S极开关管S_{a2_L}导通，下管Q₂的栅源极电压为0V，此时处于关断状态；第二上管G极开关管S_{2_H}和第一上管S极开关管S_{a1_H}导通，上管Q₁的栅源极电压为-U_{ss_H}，为防止第二阶段中下管Q₂开通的瞬间Q₁栅源极的正向电压尖峰超过阈值电压做准备；

t₁～t₂的第二阶段：第一下管G极开关管S_{1_L}和第二下管S极开关管S_{a2_L}导通，下管Q₂的栅源极电压为U_{GS_L}，在t₁瞬间下管Q₂导通；第二上管G极开关管S_{2_H}和第一上管S极开关管S_{a1_H}导通，上管Q₁的栅源极电压仍为-U_{ss_H}，防止下管Q₂开通的瞬间Q₁栅源极的正向电压尖峰超过阈值电压；

在下管Q₂导通瞬间，上管Q₁的栅源极电压迅速上升，上管Q₁的栅漏极结电容C_GDH开始充电，原本流过栅源极结电容C_GSH的位移电流绝大部分被C_H分流，从而降低了栅源极结电容C_GSH上的电压尖峰；

t₂～t₃的第三阶段：第一下管G极开关管S_{1_L}和第二下管S极开关管S_{a2_L}导通，下管Q₂的栅源极电压仍为U_{GS_L}，处于导通状态；第二上管G极开关管S_{2_H}和第二上管S极开关管S_{a2_H}导通，上管Q₁的栅源极电压为0V，为防止第四阶段中下管Q₂关断的瞬间Q₁栅源极的负向电压尖峰超过负向安全电压做准备；

t₃～t₄的第四阶段：第二下管G极开关管S_{2_L}和第一下管S极开关管S_{a1_L}导通，下管Q₂的栅源极电压为-U_{ss_L}，为防止下一阶段中上管Q₁开通的瞬间Q₂栅源极的正向电压尖峰超过阈值电压做准备；第二上管G极开关管S_{2_H}和第二上管S极开关管S_{a2_H}导通，上管Q₁的栅源极电压为0V，因此处于关断状态；

在下管Q₂关断瞬间，上管Q₁的栅源极电压迅速下降，上管Q₁的栅漏极结电容C_GDH开始放电，原本流过栅源极结电容C_GSH的位移电流绝大部分被C_H分流，从而降低了栅源极结电容C_GSH上的电压尖峰。

作为上述控制方法的补充，上管Q₁的辅助电容C_H的取值计算方法如下：

C_H的电压变化量ΔU₁表达式为：

其中，a为下管Q₂的开关速度；U_DC为输入直流电压值；R_G1H为上管Q₁的门极等效电阻。

为有效抑制串扰问题，栅源极电压正向尖峰不超过阈值电压U_th，又需使栅源极电压负向尖峰不超过负向安全电压U_{GS_MAX(-)}，

根据以上两式得到C_H的取值范围，选取ΔU₁变化平缓的区间对应的C_H取值。C_L的取值计算方法与C_H相似。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路，包括G极驱动电路、S极驱动电路以及设在G极驱动电路与S极驱动电路之间的电容，其特征在于，

所述的G极驱动电路包括正压电源V_GS、两个控制G极电压状态的第一G极开关管S₁、第二G极开关管S₂和开通、关断电阻R_gon、R_goff，所述的正压电源V_GS、第一G极开关管S₁、开通电阻R_gon、关断电阻R_goff、第二G极开关管S₂按顺序依次串联；

所述的S极驱动电路包括负压电源V_SS和两个控制S极电压状态的第一S极开关管S_a1、第二S极开关管S_a2；所述的负压电源V_SS、第一S极开关管S_a1和第二S极开关管S_a2按顺序依次串联；

所述电容的一端连接在开通电阻R_gon与关断电阻R_goff之间的G极驱动电路上，另一端连接在第一S极开关管S_a1与第二S极开关管S_a2之间的S极驱动电路上。

2.根据权利要求1所述的一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路，其特征在于，所述的桥臂包括上管Q₁和下管Q₂，上管Q₁连接Q₁驱动电路，下管Q₂连接Q₂驱动电路；

所述的Q₁驱动电路包括上管G极驱动电路、上管S极驱动电路以及设在上管G极驱动电路与上管S极驱动电路之间的上电容C_H；

所述的Q₂驱动电路包括下管G极驱动电路、下管S极驱动电路以及设在下管G极驱动电路与下管S极驱动电路之间的下电容C_L。

3.根据权利要求2所述的一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路，其特征在于，所述的上管G极驱动电路包括上管正压电源V_{GS_H}、两个控制G极电压状态的第一上管G极开关管S_{1_H}、第二上管G极开关管S_{2_H}和上管开通、关断电阻R_{gon_H}、R_{goff_H}，所述的上管正压电源V_{GS_H}、第一上管G极开关管S_{1_H}、上管开通电阻R_{gon_H}、上管关断电阻R_{goff_H}、第二上管G极开关管S_{2_H}按顺序依次串联。

4.根据权利要求3所述的一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路，其特征在于，所述的上管S极驱动电路包括上管负压电源V_{SS_H}和两个控制S极电压状态的第一上管S极开关管S_{a1_H}、第二上管S极开关管S_{a2_H}；所述的上管负压电源V_{SS_H}、第一上管S极开关管S_{a1_H}和第二上管S极开关管S_{a2_H}按顺序依次串联。

5.根据权利要求4所述的一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路，其特征在于，所述上电容C_H的一端连接在开通电阻R_{gon_H}与关断电阻R_{goff_H}之间的G极驱动电路上，另一端连接在第一上管S极开关管S_{a1_H}与第二上管S极开关管S_{a2_H}之间的S极驱动电路上。

6.根据权利要求5所述的一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路，其特征在于，所述的下管G极驱动电路包括下管正压电源V_{GS_L}、两个控制G极电压状态的第一下管G极开关管S_{1_L}、第二下管G极开关管S_{2_L}和下管开通、关断电阻R_{gon_L}、R_{goff_L}，所述的下管正压电源V_{GS_L}、第一下管G极开关管S_{1_L}、下管开通电阻R_{gon_L}、下管关断电阻R_{goff_L}、第二下管G极开关管S_{2_L}按顺序依次串联。

7.根据权利要求6所述的一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路，其特征在于，所述的下管S极驱动电路包括下管负压电源V_{SS_L}和两个控制S极电压状态的第一下管S极开关管S_{a1_L}、第二下管S极开关管S_{a2_L}；所述的下管负压电源V_{SS_L}、第一下管S极开关管S_{a1_L}和第二下管S极开关管S_{a2_L}按顺序依次串联。

8.根据权利要求7所述的一种可抑制桥臂串扰的SiC功率器件驱动电路，其特征在于，所述下电容C_L的一端连接在下管开通电阻R_{gon_L}与下管关断电阻R_{goff_L}之间的G极驱动电路上，另一端连接在第一下管S极开关管S_{a1_L}与第二下管S极开关管S_{a2_L}之间的S极驱动电路上。

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