一种采用SiC功率管的ZCS全桥变换器的栅驱动电路制造技术

一种采用SiC功率管的ZCS全桥变换器的栅驱动电路，包括PWM发生器、MOS驱动网络、谐振栅驱动隔离变压器和RCD移位电路，MOS驱动网络中的MOS管栅极控制信号由PWM发生器提供，MOS驱动网络的输出经过谐振栅驱动隔离变压器输出给RCD移位电路，其输出信号作为全桥变换器SiC功率管的栅驱动信号，驱动全桥变换器两个桥臂中的上下SiC功率开关管，RCD移位电路用于调整SiC功率开关管的栅驱动电平，实现对于栅驱动电路电压的移位，使得驱动电压适用于SiC功率管，并利用谐振栅驱动隔离变压器次级中的漏感与SiC功率开关管的栅源寄生电容产生谐振，回收利用该寄生电容上的电能量，降低损耗，提升效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及ZCS全桥变换器中功率管的栅驱动电路，尤其涉及一种采用SiC功率管(SiC材料的金属-氧化物半导体场效应晶体管)的全桥变换器的栅驱动电路。
技术介绍
随着电力电子技术的迅猛发展，功率变换器应用对于高频化、高功率密度的要求越来越高。当开关频率提高到一定程度后，开关损耗显著增加、开关应力大、电磁辐射和噪声大等问题层出不穷。软开关技术的提出，有效地改善了高频变换器性能，软开关技术也就是功率器件以零电压(ZVS)开关方式或零电流开关(ZCS)方式换流。ZCS全桥变换器是一种典型的软开关变换器，主要特点是输出整流管自动实现ZVS和ZCS换流；采用固定频率控制和移相PWM控制技术；在实现ZCS的同时，变换器能保证较宽的负载调节范围。ZCS全桥变换器通常采用Si功率管作为桥臂中的开关管。然而随着能源问题的日益突出以及人们对降低环境负荷要求的不断提高，常规的功率器件逐渐会无法满足要求。以SiC为典型代表的新型宽带功率半导体器件因其突出的性能优势而逐渐为人们重视，已然成为众多研究机构和公司的研究热点。在ZCS全桥变换器中引入SiC功率管充分满足了高频化，高功率密度的要求。然而与普通的Si功率管不同，SiC功率管的栅源间正反向耐压是不对称的，因此在相同电路拓扑下适用于Si功率管的栅驱动电路对于SiC功率管而言不再适用，换言之，设计一种结构简单，高效率，要具有高可靠性的SiC功率管栅驱动电路，是要解决的一大问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中全桥变换器SiC功率管栅驱动领域研究较少的问题，提供一种采用SiC功率管的ZCS全桥变换器的栅驱动电路，以降低ZCS全桥变换器的驱动损耗，进一步提高变换器的效率，同时增加系统的可靠性。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种采用SiC功率管的ZCS全桥变换器的栅驱动电路，其特征在于：包括PWM发生器、MOS驱动网络、谐振栅驱动隔离变压器和RCD移位电路，MOS驱动网络中的MOS管栅极控制信号由PWM发生器提供，MOS驱动网络的输出经过谐振栅驱动隔离变压器输出给RCD移位电路，RCD移位电路的输出信号作为ZCS全桥变换器中SiC功率管的栅驱动信号，驱动ZCS全桥变换器两个桥臂中的高、低压侧SiC功率开关管，上述电路中，RCD移位电路用于调整SiC功率开关管的栅驱动电平，实现对于栅驱动电路电压的移位，使得驱动电压适用于SiC功率管，并利用谐振栅驱动隔离变压器次级中的漏感与SiC功率开关管的栅源寄生电容产生谐振，回收利用该寄生电容上的电能量，降低损耗，提升效率；其中：MOS驱动网络包括开关管Q1、Q2、Q3和Q4，开关管Q1和Q2的漏极均连接电源Vcc，开关管Q3和Q4的源极均接地，开关管Q1的源极连接开关管Q3的漏极，开关管Q2的源极连接开关管Q4的漏极，开关管Q1、Q2、Q3和Q4的栅极分别连接PWM发生器的四个输出端；谐振栅驱动隔离变压器包括初级线圈n1及两个次级线圈n2和n3，初级线圈n1的同名端连接开关管Q1的源极和开关管Q3的漏极，初级线圈n1的异名端连接开关管Q2的源极和开关管Q4的漏极，次级线圈n2和n3中分别存在漏感Lr1及Lr2，次级线圈n2的同名端连接漏感Lr1的一端，次级线圈n3的异名端连接漏感Lr2的一端；RCD移位电路包括两个相同的部分，分别连接于谐振栅驱动隔离变压器的两个次级线圈n2和n3的输出端，其中，连接于次级线圈n2输出端的RCD移位电路包括电阻Rp1、电阻Rn1、电容Cp1、电容Cn1和二极管D1，电阻Rp1与电容Cp1并联后的一端连接漏感Lr1的另一端并作为该RCD移位电路的输出端，通过栅驱动电阻Rg1连接ZCS全桥变换器两个桥臂中其中一个桥臂的高压侧SiC功率开关管Q5的栅极，电阻Rp1与电容Cp1并联后的另一端连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电阻R n1与电容C n1并联后的一端和SiC功率开关管Q5的源极，电阻R n1与电容C n1并联后的另一端连接次级线圈n2的异名端；连接于次级线圈n3输出端的RCD移位电路包括电阻Rp2、电阻Rn2、电容Cp2、电容Cn2和二极管D2，电阻Rp2与电容Cp2并联后的一端连接漏感Lr2的另一端并作为该RCD移位电路的输出端，通过栅驱动电阻Rg2连接ZCS全桥变换器中与SiC功率开关管Q5同一桥臂的低压侧SiC功率开关管Q6的栅极，电阻Rp2与电容Cp2并联后的另一端连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接电阻R n2与电容C n2并联后的一端和SiC功率开关管Q6的源极并接地，电阻R n2与电容C n2并联后的另一端连接次级线圈n3的同名端，SiC功率开关管Q5的源极与SiC功率开关管Q6的漏极连接；设置与上述相同的PWM发生器、MOS驱动网络、谐振栅驱动隔离变压器和RCD移位电路，驱动ZCS全桥变换器中另一个桥臂中的高、低压侧SiC功率开关管。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和效果：(1)栅驱动电路中加入了RCD移位电路，有效地将原驱动电压幅值上移，使得原本正负对称输出的栅驱动电压适配成为SiC功率管的栅驱动电压，同时仍具备负压关断功能，有效地防止SiC功率管的误开通，从而提高系统的可靠性。(2)利用谐振栅驱动隔离变压器次级中的漏感与SiC功率开关管的栅源寄生电容产生谐振，可回收利用SiC功率开关管栅源寄生电容上的电能量，降低损耗，提升效率。(3)本专利技术专门适应于ZCS全桥电路，ZCS全桥电路同一桥臂的上下两管之间有一个重叠的开关时间，本专利技术栅驱动电路产生的栅驱动信号可以充分实现这一功能。(4)本专利技术可以同时提供两路互补的栅驱动信号，因此驱动整个ZCS全桥变换器只需两组该专利技术所涉及的栅驱动电路，成本低，稳定性高。附图说明图1是本专利技术的一种栅驱动电路；图2是本专利技术适用的一种典型的ZCS全桥变换器电路；图3是ZCS全桥电路中功率管所需的工作波形；图4是本专利技术提出的栅驱动电路实际输出波形；图5是本专利技术中控制信号以及关键电压电流的波形；图6是传统的变压器耦合电压源栅驱动方案；图7是本专利技术与传统的变压器耦合电压源栅驱动方案在不同开关频率的单桥臂驱动损耗对比图。具体实施方式如图1，整个栅驱动电路包括PWM发生器、MOS驱动网络1、谐振栅驱动隔离变压器2和RCD移位电路3，标号4为被驱动的SiC功率管ZCS全桥变换器的一个桥臂。PWM发生器产生控制信号，通过MOS驱动网络1传输至谐振栅驱动隔离变压器2，经由RCD移位电路3上移一个电位，从而驱动ZCS全桥变换器中一个桥臂的SiC功率管Q5和Q6，其中电容Cgs5和Cgs6分别为Q5和Q6的栅源间寄生电容。PWM发生器在整个系统中一般是由微控制器充当的，根据不同的应用产生相应波形，本专利技术中PWM发生器产生控制信号，加在MOS驱动网络1中各MOS管栅极上，通过改变PWM输出的占空比与相位控制MOS驱动网络1，从而产生满足条件的栅驱动信号。RCD移位电路3的工作原理为：由于电容Cp1，Cp2，Cn1，Cn2相对SiC功率管的栅源寄生电容比较大，Cp1，Cp2，Cn1，Cn2等电容上的电压不会对SiC功率管栅源寄生电容的充放电产生明显的影响，同时用于分压的电阻Rp1，Rp2，Rn1，Rn2比较大，电容Cp1，Cp2，Cn本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用SiC功率管的ZCS全桥变换器的栅驱动电路，其特征在于：包括PWM发生器、MOS驱动网络、谐振栅驱动隔离变压器和RCD移位电路，MOS驱动网络中的MOS管栅极控制信号由PWM发生器提供，MOS驱动网络的输出经过谐振栅驱动隔离变压器输出给RCD移位电路，RCD移位电路的输出信号作为ZCS全桥变换器中SiC功率管的栅驱动信号，驱动ZCS全桥变换器两个桥臂中的高、低压侧SiC功率开关管，上述电路中，RCD移位电路用于调整SiC功率开关管的栅驱动电平，实现对于栅驱动电路电压的移位，使得驱动电压适用于SiC功率管，并利用谐振栅驱动隔离变压器次级中的漏感与SiC功率开关管的栅源寄生电容产生谐振，回收利用该寄生电容上的电能量，降低损耗，提升效率；其中：MOS驱动网络包括开关管Q1、Q2、Q3和Q4，开关管Q1和Q2的漏极均连接电源Vcc，开关管Q3和Q4的源极均接地，开关管Q1的源极连接开关管Q3的漏极，开关管Q2的源极连接开关管Q4的漏极，开关管Q1、Q2、Q3和Q4的栅极分别连接PWM发生器的四个输出端；谐振栅驱动隔离变压器包括初级线圈n1及两个次级线圈n2和n3，初级线圈n1的同名端连接开关管Q1的源极和开关管Q3的漏极，初级线圈n1的异名端连接开关管Q2的源极和开关管Q4的漏极，次级线圈n2和n3中分别存在漏感Lr1及Lr2，次级线圈n2的同名端连接漏感Lr1的一端，次级线圈n3的异名端连接漏感Lr2的一端；RCD移位电路包括两个相同的部分，分别连接于谐振栅驱动隔离变压器的两个次级线圈n2和n3的输出端，其中，连接于次级线圈n2输出端的RCD移位电路包括电阻Rp1、电阻Rn1、电容Cp1、电容Cn1和二极管D1，电阻Rp1与电容Cp1并联后的一端连接漏感Lr1的另一端并作为该RCD移位电路的输出端，通过栅驱动电阻Rg1连接ZCS全桥变换器两个桥臂中其中一个桥臂的高压侧SiC功率开关管Q5的栅极，电阻Rp1与电容Cp1并联后的另一端连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电阻Rn1与电容Cn1并联后的一端和SiC功率开关管Q5的源极，电阻Rn1与电容Cn1并联后的另一端连接次级线圈n2的异名端；连接于次级线圈n3输出端的RCD移位电路包括电阻Rp2、电阻Rn2、电容Cp2、电容Cn2和二极管D2，电阻Rp2与电容Cp2并联后的一端连接漏感Lr2的另一端并作为该RCD移位电路的输出端，通过栅驱动电阻Rg2连接ZCS全桥变换器中与SiC功率开关管Q5同一桥臂的低压侧SiC功率开关管Q6的栅极，电阻Rp2与电容Cp2并联后的另一端连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极连接电阻Rn2与电容Cn2并联后的一端和SiC功率开关管Q6的源极并接地，电阻Rn2与电容Cn2并联后的另一端连接次级线圈n3的同名端，SiC功率开关管Q5的源极与SiC功率开关管Q6的漏极连接；设置与上述相同的PWM发生器、MOS驱动网络、谐振栅驱动隔离变压器和RCD移位电路，驱动ZCS全桥变换器中另一个桥臂中的高、低压侧SiC功率开关管。...

【技术特征摘要】
1.一种采用SiC功率管的ZCS全桥变换器的栅驱动电路，其特征在于：包括PWM发生器、MOS驱动网络、谐振栅驱动隔离变压器和RCD移位电路，MOS驱动网络中的MOS管栅极控制信号由PWM发生器提供，MOS驱动网络的输出经过谐振栅驱动隔离变压器输出给RCD移位电路，RCD移位电路的输出信号作为ZCS全桥变换器中SiC功率管的栅驱动信号，驱动ZCS全桥变换器两个桥臂中的高、低压侧SiC功率开关管，上述电路中，RCD移位电路用于调整SiC功率开关管的栅驱动电平，实现对于栅驱动电路电压的移位，使得驱动电压适用于SiC功率管，并利用谐振栅驱动隔离变压器次级中的漏感与SiC功率开关管的栅源寄生电容产生谐振，回收利用该寄生电容上的电能量，降低损耗，提升效率；其中：MOS驱动网络包括开关管Q1、Q2、Q3和Q4，开关管Q1和Q2的漏极均连接电源Vcc，开关管Q3和Q4的源极均接地，开关管Q1的源极连接开关管Q3的漏极，开关管Q2的源极连接开关管Q4的漏极，开关管Q1、Q2、Q3和Q4的栅极分别连接PWM发生器的四个输出端；谐振栅驱动隔离变压器包括初级线圈n1及两个次级线圈n2和n3，初级线圈n1的同名端连接开关管Q1的源极和开关管Q3的漏极，初级线圈n1的异名端连接开关管Q2的源极和开关管Q4的漏极，次级线圈n2和n3中分别存在漏感Lr1及Lr2，次级线圈n2的同名端连接漏感Lr1的一端，次级线圈n3的异名端连接漏感Lr2的一端；RCD移位电路包括两个相同的部分，分别连接于谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱钦松，刘琦，刘鹏，俞居正，孙伟锋，陆生礼，时龙兴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32