多级降栅压型SiC-MOSFET驱动电路制造技术

本发明专利技术公开了一种多级降栅压型SiC‑MOSFET驱动电路，包括短路检测电路、关断逻辑控制电路、图腾柱电路、第一级降栅压电路与第二降栅压软关断电路；短路检测电路判断短路峰值电流检测短路故障真实发生，第一级降栅压电路将SiC‑MOSFET门极电压降低并维持至最大短路耐受时间，提高器件的短路穿越能力；通过第二级降栅压电路进一步降低门极电压实现软关断，从而抑制住关断电压尖峰。本发明专利技术保证SiC‑MOSFET在短路工况下安全关断并有效增加其短路耐受时间，提高故障穿越能力。

Multistage Falling Gate Voltage SiC-MOSFET Driver Circuit

The invention discloses a multi-stage step-down gate voltage type SiC_MOSFET driving circuit, which comprises a short circuit detection circuit, a turn-off logic control circuit, a totem pole circuit, a first step step-down gate voltage circuit and a second step-down gate voltage soft shut-off circuit; a short circuit detection circuit judges that the short circuit peak current detects the true occurrence of the short circuit fault, and a first step-down gate voltage circuit reduces and maintains the gate voltage of SiC_MOSFET to the maximum. Large short-circuit endurance time can improve the short-circuit crossing ability of the device, and soft-switching can be achieved by further reducing the gate voltage through the second step down-gate voltage circuit, thus suppressing the peak of the switching-off voltage. The invention ensures that the SiC MOSFET is safely turned off under short circuit condition, effectively increases its short circuit tolerance time, and improves the fault traversing ability.

【技术实现步骤摘要】
多级降栅压型SiC-MOSFET驱动电路
本专利技术属于电力半导体器件领域，尤其涉及一种多级降栅压型SiC-MOSFET驱动电路。
技术介绍
随着市场对高效率、高功率密度变换器的需求日益旺盛，如新能源、电动汽车的兴起，宽禁带器件SiC-MOSFET(碳化硅-金属氧化物半导体场效应晶体管)逐步得到应用。与传统的Si基功率器件相比，SiC-MOSFET短路耐受能力弱且受工作条件影响大，当SiC-MOSFET工作于高直流母线电压、高环境温度等条件时，其短路耐受能力将被大幅削弱。同时为了实现快速开通关断来降低开关损耗和降低导通电阻来减小导通损耗，SiC-MOSFET的驱动正压通常维持在+18V～+22V，但在短路故障时高驱动正压使得流过SiC-MOSFET的短路电流快速增加，导致器件结温迅速升高，从而削弱了SiC-MOSFET的短路耐受能力。在短路故障发生时，流过SiC-MOSFET的短路电流可达额定电流的5-8倍，同时由于SiC-MOSFET结电容较小、开关速度快且主电路中存在寄生电感，若采取硬关断会在SiC-MOSFET漏-源极两端造成电压尖峰，导致SiC-MOSFET过压损坏。专利CN106027011A针对高驱动正压导致的短路耐受能力弱的问题，通过检测源极寄生电感两端的电压信号实现短路故障的快速检测与保护，但是这种方法无法判断短路故障的真实发生，易发生误触发现象(200ns内完成关断)；同时不顾短路电流的大小直接采用软关断电阻进行关断，有一定的关断尖峰电压抑制效果，但仍有引起关断电压尖峰击穿SiC-MOSFET的可能。文献Short-circuitprotectionof1200VSiCMOSFETT-typemoduleinPVinverterapplication(Y.Shietal.2016IEEEEnergyConversionCongressandExposition,Milwaukee,WI,2016,pp.1-5.)在检测到短路故障后立即采取降低栅极电压方法减小短路电流，实现软关断。这种方法延长了短路耐受时间，但是没有充分利用器件的短路耐受能力，无法实现短路故障穿越。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种多级降栅压型SiC-MOSFET驱动电路。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种多级降栅压型SiC-MOSFET驱动电路，其特征在于，包括短路检测电路关断逻辑控制电路、图腾柱电路、第一级降栅压电路和第二级降栅压软关断电路；所述短路检测电路包括第一比较器、缓冲电阻、缓冲电容和第二比较器；所述第一比较器同相输入端与检测电压vdesat相连，反相输入端与阈值电压Vref相连，该连接点同时与第二比较器的反相输入端连接；所述第一比较器输出引脚与缓冲电阻一端连接，该连接点同时与第一级降栅压电路的第三开关管门极连接；所述缓冲电阻的另一端与缓冲电容的一端连接，该连接点同时与第二比较器的同相输入端引脚连接，缓冲电容的另一端接地；所述第二比较器的输出与关断逻辑控制电路的输入引脚1连接；所述关断逻辑控制电路的输入引脚2连接PWM驱动信号，输入引脚3连接第一比较器的输出，输出引脚4与第二级降栅压软关断电路的第四开关管门极相连，输出引脚5连接EN使能端；所述图腾柱电路包括上端P-MOSFET开关管与下端N-MOSFET开关管；所述上端P-MOSFET开关管门极与下端N-MOSFET开关管门极相连，该连接点与电平调理电路的输出相连；上端P-MOSFET开关管源极与驱动正压VCC连接，漏极连接驱动导通电阻Ron，下端N-MOSFET开关管源极与驱动负压VEE连接，漏极连接驱动关断电阻Roff；所述第一级降栅压电路包括第一二极管、第二电阻与第三开关管；第一二极管一端与第二电阻一端相连，第二电阻另一端和第三开关管漏极相连，第三开关管源极接地；所述第二级降栅压软关断电路包括第二二极管、第三电阻与第四开关管；第二二极管一端与第三电阻一端相连，第三电阻另一端与第四开关管漏极相连，第四开关管源极接地；驱动导通电阻Ron另一端与SiC-MOSFET门极相连，驱动关断电阻Roff另一端与SiC-MOSFET门极相连；第一二极管另一端与SiC-MOSFET门极相连，第二二极管另一端与SiC-MOSFET门极相连。进一步地，所述第三开关管和第四开关管为N-MOSFET开关管。进一步地，所述SiC-MOSFET出现短路故障时，当短路电流上升至短路峰值电流后，第一比较器输出高电平，第一级降栅压电路中第三开关管导通，第二电阻与驱动导通电阻构成串联回路，SiC-MOSFET门极电压降至VG1。进一步地，所述检测电压vdesat经过空白时间tblank上升至阈值电压Vref，空白时间tblank由短路电流上升至短路峰值电流时间给定。进一步地，当驱动信号高电平时间低于短路耐受时间时，关断逻辑控制电路的输出引脚4在驱动信号由高变低时输出高电平，控制第二级降栅压软关断电路的第四开关管导通，第二电阻和第三电阻构成并联支路，并与驱动导通电阻串联，SiC-MOSFET的门极电压降至VG2；当短路电流下降至额定电流时，关断逻辑控制电路输出引脚5置低，实现软关断与短路保护；当驱动信号高电平时间高于短路耐受时间时，第二比较器在达到短路耐受时间时输出高电平，控制关断逻辑控制电路的输出引脚4输出高电平，第二级降栅压软关断电路的第四开关管导通，SiC-MOSFET的门极电压降至VG2；当短路电流下降至额定电流时，关断逻辑控制电路输出引脚5置低，实现软关断与短路保护。进一步地，所述第一比较器输出通过缓冲电阻给缓冲电容充电，第二比较器的同相输入端电压为电容电压，通过整定缓冲电阻与缓冲电容使第二比较器同相输入端电压上升至阈值电压Vref的时间为短路耐受时间。有益效果：本专利技术可保证SiC-MOSFET在短路工况下安全关断并有效增加其短路耐受时间，提高故障穿越能力；两级降栅压电路可显著减小短路电流，实现软关断，从而抑制SiC-MOSFET的关断电压尖峰。附图说明图1为多级降栅压型SiC-MOSFET驱动电路示意图；图2为驱动信号导通时间小于短路耐受时间时短路保护与各开关管逻辑示意图；图3为驱动信号导通时间大于短路耐受时间时短路保护与各开关管逻辑示意图；图4为该驱动器短路测试平台电路示意图；图5为驱动信号导通时间小于短路耐受时间时短路保护实验结果；图6为驱动信号导通时间大于短路耐受时间时短路保护实验结果。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明。如图1所示，本专利技术所述的多级降栅压型SiC-MOSFET驱动电路，包括短路检测电路1、关断逻辑控制电路2、图腾柱电路3、第一级降栅压电路4与第二降栅压软关断电路5。短路检测电路1包括第一比较器CMP1、缓冲电阻R1、缓冲电容C1及第二比较器CMP2；图腾柱电路3包括上端P-MOSFET开关管S1与下端N-MOSFET开关管S2；第一级降栅压电路4由第一二极管D1、第二电阻R2与N-MOSFET第三开关管S3构成；第二级降栅压软关断电路5由第二二极管D2、第三电阻R3与N-MOSFET第四开关管S4构成。短路检测电路1中第一比较器CMP1同相输入端与检测电压vdesat相连，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多级降栅压型SiC‑MOSFET驱动电路，其特征在于，包括短路检测电路(1)关断逻辑控制电路(2)、图腾柱电路(3)、第一级降栅压电路(4)和第二级降栅压软关断电路(5)；所述短路检测电路(1)包括第一比较器(CMP1)、缓冲电阻(R1)、缓冲电容(C1)和第二比较器(CMP2)；所述第一比较器同相输入端与检测电压vdesat相连，反相输入端与阈值电压Vref相连，该连接点同时与第二比较器的反相输入端连接；所述第一比较器输出引脚与缓冲电阻一端连接，该连接点同时与第一级降栅压电路(4)的第三开关管(S3)门极连接；所述缓冲电阻的另一端与缓冲电容的一端连接，该连接点同时与第二比较器的同相输入端引脚连接，缓冲电容的另一端接地；所述第二比较器的输出与关断逻辑控制电路(2)的输入引脚1连接；所述关断逻辑控制电路(2)的输入引脚2连接PWM驱动信号，输入引脚3连接第一比较器的输出，输出引脚4与第二级降栅压软关断电路(5)的第四开关管(S4)门极相连，输出引脚5连接EN使能端；所述图腾柱电路(3)包括上端P‑MOSFET开关管(S1)与下端N‑MOSFET开关管(S2)；所述上端P‑MOSFET开关管门极与下端N‑MOSFET开关管门极相连，该连接点与电平调理电路的输出相连；上端P‑MOSFET开关管源极与驱动正压VCC连接，漏极连接驱动导通电阻(Ron)，下端N‑MOSFET开关管源极与驱动负压VEE连接，漏极连接驱动关断电阻(Roff)；所述第一级降栅压电路(4)包括第一二极管(D1)、第二电阻(R2)与第三开关管(S3)；第一二极管一端与第二电阻一端相连，第二电阻另一端和第三开关管漏极相连，第三开关管源极接地；所述第二级降栅压软关断电路(5)包括第二二极管(D2)、第三电阻(R3)与第四开关管(S4)；第二二极管一端与第三电阻一端相连，第三电阻另一端与第四开关管漏极相连，第四开关管源极接地；驱动导通电阻(Ron)另一端与SiC‑MOSFET门极相连，驱动关断电阻(Roff)另一端与SiC‑MOSFET门极相连；第一二极管另一端与SiC‑MOSFET门极相连，第二二极管另一端与SiC‑MOSFET门极相连。...

【技术特征摘要】
1.一种多级降栅压型SiC-MOSFET驱动电路，其特征在于，包括短路检测电路(1)关断逻辑控制电路(2)、图腾柱电路(3)、第一级降栅压电路(4)和第二级降栅压软关断电路(5)；所述短路检测电路(1)包括第一比较器(CMP1)、缓冲电阻(R1)、缓冲电容(C1)和第二比较器(CMP2)；所述第一比较器同相输入端与检测电压vdesat相连，反相输入端与阈值电压Vref相连，该连接点同时与第二比较器的反相输入端连接；所述第一比较器输出引脚与缓冲电阻一端连接，该连接点同时与第一级降栅压电路(4)的第三开关管(S3)门极连接；所述缓冲电阻的另一端与缓冲电容的一端连接，该连接点同时与第二比较器的同相输入端引脚连接，缓冲电容的另一端接地；所述第二比较器的输出与关断逻辑控制电路(2)的输入引脚1连接；所述关断逻辑控制电路(2)的输入引脚2连接PWM驱动信号，输入引脚3连接第一比较器的输出，输出引脚4与第二级降栅压软关断电路(5)的第四开关管(S4)门极相连，输出引脚5连接EN使能端；所述图腾柱电路(3)包括上端P-MOSFET开关管(S1)与下端N-MOSFET开关管(S2)；所述上端P-MOSFET开关管门极与下端N-MOSFET开关管门极相连，该连接点与电平调理电路的输出相连；上端P-MOSFET开关管源极与驱动正压VCC连接，漏极连接驱动导通电阻(Ron)，下端N-MOSFET开关管源极与驱动负压VEE连接，漏极连接驱动关断电阻(Roff)；所述第一级降栅压电路(4)包括第一二极管(D1)、第二电阻(R2)与第三开关管(S3)；第一二极管一端与第二电阻一端相连，第二电阻另一端和第三开关管漏极相连，第三开关管源极接地；所述第二级降栅压软关断电路(5)包括第二二极管(D2)、第三电阻(R3)与第四开关管(S4)；第二二极管一端与第三电阻一端相连，第三电阻另一端与第四开关管漏极相连，第四开关管源极接地；驱动导通电阻(Ron)另一端与SiC-MOSFET门极相连，驱动关断电阻(Roff)另一端与SiC-MOSFET门...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖华锋，吴立亮，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32