CN220421666U - 一种提高功率器件驱动可靠性的谐振辅助电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高功率器件驱动可靠性的谐振辅助电路，属于电力电子器件的驱动技术领域。所述谐振辅助驱动电路包括电容C_q、C_p、电阻R_q、R_p，二极管VD₁、VD₂、VD₃，稳压管VD_z和电感Lr。通过电阻R_q和R_p的比值可以实现电容C_q和C_p的分压，从而实现电源模块仅需正电压供电便可进行负压关断和正压开启，谐振辅助电路能有效地抑制正向串扰和反向串扰电压尖峰，从而保证了功率器件在更高的开关频率下可靠运行。相比与传统驱动方法，本实用新型可以在更高的开关速度下工作并降低了开关损耗。

Description

一种提高功率器件驱动可靠性的谐振辅助电路

技术领域

本实用新型属于功率器件的驱动技术领域，尤其涉及一种提高功率器件驱动可靠性的谐振辅助电路。

背景技术

随着近年来电力电子技术和计算机技术的高速发展，以功率器件及功率变换器控制为基础的电力传动技术已日益广泛地应用于国民经济的各个方面，例如电动汽车、高速铁路、工业机器人、数控机床等。而功率器件的驱动技术是功率变换器控制的核心之一，其工作的可靠性直接影响到功率变换器乃至电力传动***能否健康运行及其性能优劣。

最近若干年来，电力传动技术日益向高功率、高转速、高动态的方向发展，这对功率器件本身及其驱动技术提出了更高的要求，其中，高开关速度的功率器件日益受到青睐，特别是宽禁带材料和器件的提出，加快了这一发展趋势。例如，SiC材料具备的高禁带宽度、高击穿场强、高饱和速率等优点，因此SiC MOSFET相对于Si基器件具备更高的开关速度，更低的导通电阻、更低的结温以及极低拖尾电流，从而可以大幅提高动态性能，减小设备的体积重量并获得更高的工作效率。

然而，对高速和高动态的追求，必然导致功率器件应用中的一个技术挑战，即工作过程中高开关速度会让功率器件承受较高的dv/dt和di/dt，在低频下影响不明显的杂散参数，会产生对电力传动***正常运行带来损害的电压电流振荡和尖峰。对于SiC MOSFET，其具有较低的开通电压阈值和允许栅源极负压，因此，由高dv/dt和di/dt引发的串扰作用会变得更加严重。

为了减小高动态控制下串扰引发的负面作用，需要在功率器件的驱动电路上针对串扰现象进行抑制，目前广泛采用的方法可以大致分为三类：(1)栅源极并联电容，通过增加栅源极等效电容来遏制串扰引起的尖峰大小，这种方法设计简单、串扰抑制效果好。但是会影响功率器件的开关速度，不利于功率器件的高速开通，同时也会增大开通和关断损耗。(2)采用主动门极驱动，通过主动打开辅助晶体管，使额外的辅助电容器并联在栅源极之间，从而在串扰期间进行主动抑制，不影响开关速度，但由于控制的复杂性，大多数主动门极电路较为复杂，设计难度高。(3)负压关断和多电平驱动，除了正电压(开通)、零电压(稳态关断)，增加一个负电压用于关断过程，即多电平驱动，利用负压关断可以有效地提升关断速度，同时能够抑制正向开通串扰，但是与之而来的一个问题，在桥臂另一互补功率管关断时刻会引起更大的负压尖峰，严重时可能会击穿功率器件。

为此，针对上述技术问题，有必要革新当前功率器件的驱动方法，降低在高速开关过程由串扰引起的正向和反向电压尖峰。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的缺点而提出一种提高功率器件驱动可靠性的谐振辅助电路，能够有效抑制功率器件高速开关引起的串扰尖峰。

本实用新型采用的技术方案是：一种提高功率器件驱动可靠性的谐振辅助电路，所述谐振辅助电路设置在功率器件的驱动IC与门极驱动电阻R_g之间；

所述的谐振辅助电路包括电阻R_q、电阻R_p、电容C_q、电容C_p、二极管VD₁、二极管VD₂、二极管VD₃、稳压管VD_z和电感L_r；

所述电阻R_q、电容C_q与二极管VD₁并联连接后，一端与驱动IC的输出端连接，另一端与门极驱动电阻R_g连接；并联的电阻R_p和电容C_p与稳压管VD_z并联连接后，与二极管VD₂反向串联，并联接入门极驱动电阻R_g支路；所述电感L_r与二极管VD₃串联后并联接入门极驱动电阻R_g支路，所述电阻R_p、电容C_p、稳压管VD_z和电感L_r的公共端与基准电位点连接。

作为优选，所述功率器件为硅基或碳化硅基IGBT、MOSFET和GaN。

所述的谐振辅助电路的工作时序包括开通预充电阶段、正向串扰抑制阶段、反向串扰抑制阶段三个阶段。

开通预充电阶段对应于工作时序的[0-t₀]区间，通过驱动芯片持续供给开通信号给回路充电，使电容C_p、C_q达到初始电压，其中分压值由R_q、R_p电阻比决定，即稳定后电容电压分别为：

式中，V_Cp、V_Cq分别为电容C_p、C_q上的电压，V_GG为驱动芯片提供的电源电压。调整R_p和R_q的电阻比可调节功率器件的开启电压和关断电压，预充电完成后门极电压满足V_{gs_L}＝V_Cp+V_d，其中V_d为二极管VD₁、VD₂的导通管压降。此时VD3因承受反压而不导通，功率器件处于稳态导通状态。

正向串扰抑制阶段对应于工作时序的[t₀-t₄]区间，在关断信号来临时，驱动芯片输出电压降为0V，二极管VD₂由电容C_p反压关断，因电容C_p远大于门极电容，在关断过程中电容电压近似不变。此时电容C_q为栅极提供负压，使功率器件快速关断。同时通过C_q-L_r-VD₃回路，电容C_q的能量向电感L_r转移，使其负压逐渐至零。通过对其能量转移时间的整定，可以在正向串扰来临时提供合适的负压削弱正向串扰尖峰值。

反向串扰抑制阶段对应于工作时序的[t₅-t₇]区间，随着电容C_q的能量向电感L_r不断转移，电容C_q电压不断下降，低于二极管VD₁的正向导通压降V_d后，VD₁导通，在二极管的钳位作用下，电容C_q承受一个二极管管压降的反向电压，电感通过二极管VD₁、VD₃续流，电感释放能量。与此同时，门极电压被电容C_q并联，通过设计电容C_q远大于功率器件的寄生电容C_gs，可以钳制门极电压不至于误导通。在反向串扰来临时，电容C_q给栅极提供一个二极管导通压降的正压略带正压的电容C_q能够很好地抑制负压尖峰，保护功率器件门极不被击穿。

工作时序的[t₇-t₈]区间为下一次的开通预充电阶段，驱动芯片电源电压V_GG对电容C_p进行充电，使门极电压能快速上升至V_Cp+V_d。同时电容C_q由回路V_GG-C_q-VD₂-VD_z进行充电，为下一次关断做准备，稳压二极管VD_z电压为V_z，电容C_q充电完成电压为V_Cq＝V_GG-V_z-V_d。所以通过选取合适的稳压二极管VD_z稳压值可改变关断负压。

有益效果：本实用新型通过谐振辅助电路实现功率器件的高可靠驱动，有效抑制了功率器件高速开关过程中正向串扰和反向串扰电压尖峰，防止桥臂串扰现象对功率变换器正常运行带来的过电压风险，且谐振辅助电路全部由无源器件组成，无需输入额外的PWM信号，具有抗干扰能力强且易于实现的优势。

附图说明

图1是本实用新型谐振辅助电路的示意图。

图2是谐振辅助电路的工作时序图。

图3(a)、图3(b)、图3(c)是谐振辅助驱动电路的三种工作模式。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对实用新型的技术方案进行详细说明：

如图1所示，一种提高功率器件驱动可靠性的谐振辅助电路，所述谐振辅助电路设置在功率器件的驱动IC与门极驱动电阻R_g之间；

所述的谐振辅助电路包括电阻R_q、电阻R_p、电容C_q、电容C_p、二极管VD₁、二极管VD₂、二极管VD₃、稳压管VD_z和电感L_r；

所述电阻R_q、电容C_q与二极管VD₁并联连接后，一端与驱动IC的输出端连接，另一端与门极驱动电阻R_g连接；并联的电阻R_p和电容C_p与稳压管VD_z并联连接后，与二极管VD₂反向串联，并联接入门极驱动电阻R_g支路；所述电感L_r与二极管VD₃串联后并联接入门极驱动电阻R_g支路，所述电阻R_p、电容C_p、稳压管VD_z和电感L_r的公共端与基准电位点连接。

提高功率器件驱动可靠性的谐振辅助电路适用于硅基或碳化硅基IGBT、MOSFET和GaN等半导体功率器件。

图2是谐振辅助电路的工作时序图，谐振辅助电路的工作时序包括开通预充电阶段、正向串扰抑制阶段、反向串扰抑制阶段三个阶段。

开通预充电阶段对应于工作时序的[0-t₀]区间，通过驱动芯片持续供给开通信号给回路充电，使电容C_p、C_q达到初始电压，其中分压值由R_q、R_p电阻比决定，即稳定后电容电压分别为：

式中，V_Cp、V_Cq分别为电容C_p、C_q上的电压，V_GG为驱动芯片提供的电源电压。调整R_p和R_q的电阻比可调节功率器件的开启电压和关断电压，预充电完成后门极电压满足V_{gs_L}＝V_Cp+V_d，其中V_d为二极管VD₁、VD₂的导通管压降。此时VD3因承受反压而不导通，功率器件处于稳态导通状态。

正向串扰抑制阶段对应于工作时序的[t₀-t₄]区间，在关断信号来临时，驱动芯片输出电压降为0V，谐振辅助电路导通情况如图3(a)所示。二极管VD₂由电容C_p反压关断，因电容C_p远大于门极电容，在关断过程中电容电压近似不变。此时电容C_q为栅极提供负压，使功率器件快速关断。同时通过C_q-L_r-VD₃回路，电容C_q的能量向电感L_r转移，使其负压逐渐至零。通过对其能量转移时间的整定，可以在正向串扰来临时提供合适的负压削弱正向串扰尖峰值。

反向串扰抑制阶段对应于工作时序的[t₅-t₇]区间，谐振辅助电路导通情况如图3(b)所示，随着电容C_q的能量向电感L_r不断转移，电容C_q电压不断下降，低于二极管VD₁的正向导通压降V_d后，VD₁导通，在二极管的钳位作用下，电容C_q承受一个二极管管压降的反向电压，电感通过二极管VD₁、VD₃续流，电感释放能量。与此同时，门极电压被电容C_q并联，通过设计电容C_q远大于功率器件的寄生电容C_gs，可以钳制门极电压不至于误导通。在反向串扰来临时，电容C_q给栅极提供一个二极管导通压降的正压略带正压的电容C_q能够很好地抑制负压尖峰，保护功率器件门极不被击穿。

工作时序的[t₇-t₈]区间为下一次的开通预充电阶段，谐振辅助电路导通情况如图3(c)所示，驱动芯片电源电压V_GG对电容C_p进行充电，使门极电压能快速上升至V_Cp+V_d。同时电容C_q由回路V_GG-C_q-VD₂-VD_z进行充电，为下一次关断做准备，稳压二极管VD_z电压为V_z，电容C_q充电完成电压为V_Cq＝V_GG-V_z-V_d。所以通过选取合适的稳压二极管VD_z稳压值可改变关断负压。

谐振辅助电路有效抑制了功率器件高速开关过程中正向串扰和反向串扰电压尖峰，防止桥臂串扰现象对功率变换器正常运行带来的过电压风险，且谐振辅助电路全部由无源器件组成，无需输入额外的PWM信号，具有抗干扰能力强且易于实现的优势。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种提高功率器件驱动可靠性的谐振辅助电路，其特征在于：所述谐振辅助电路设置在功率器件的驱动IC与门极驱动电阻R_g之间；

所述的谐振辅助电路包括电阻R_q、电阻R_p、电容C_q、电容C_p、二极管VD₁、二极管VD₂、二极管VD₃、稳压管VD_z和电感L_r；

所述电阻R_q、电容C_q与二极管VD₁并联连接后，一端与驱动IC的输出端连接，另一端与门极驱动电阻R_g连接；并联的电阻R_p和电容C_p与稳压管VD_z并联连接后，与二极管VD₂反向串联，并联接入门极驱动电阻R_g支路；所述电感L_r与二极管VD₃串联后并联接入门极驱动电阻R_g支路，所述电阻R_p、电容C_p、稳压管VD_z和电感L_r的公共端与基准电位点连接。

2.根据权利要求1所述的一种提高功率器件驱动可靠性的谐振辅助电路，其特征在于：所述功率器件为硅基或碳化硅基IGBT、MOSFET和GaN。