基于碳化硅MOSFET的驱动电路制造技术

本发明专利技术涉及一种基于碳化硅MOSFET的驱动电路。该驱动电路的开通和关断回路经过不同的回路，还包括：四个电容Ca1_H、Ca2_H、Ca1_L和Ca2_L，电容Ca2_H和Ca2_L的作用是减小封装引脚上的共源寄生电感LS2H和LS2L的影响；电容Ca1_H和Ca1_L的作用是在发生串扰时，为碳化硅MOSFET封装内部的结电容CGDH和CGDL的充放电电流提供更低阻抗的回路。本发明专利技术可用于抑制具有桥臂结构的变流器如三相桥式逆变器、全桥DC‑DC变换器等中的串扰问题，在不增加驱动电路复杂性的前提下，抑制了串扰问题引起的碳化硅MOSFET栅源极电压尖峰，提高了基于碳化硅MOSFET的电力电子装置的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子电路
，涉及基于碳化硅MOSFET的低关断栅极回路阻抗的驱动电路。
技术介绍
如图1所示，在传统的基于碳化硅MOSFET的驱动电路中添加电容Ca_H和Ca_L，用于构建低阻抗支路，抑制串扰问题引起的栅源极电压尖峰，但是添加电容Ca_H和Ca_L相当于增大了栅源极结电容CGSH和CGSL，会影响开关速度。图2给出一种在传统的基于碳化硅MOSFET的驱动电路中添加辅助开关管Sa_H和Sa_L以及电容Ca_H和Ca_L，既可以抑制串扰问题引起的栅源极电压尖峰，同时避免只添加电容Ca_H和Ca_L影响碳化硅MOSFET开关速度的问题。图3是图2中对应开关管的驱动信号。图2所示现有技术方案的工作原理如下：(t0～t1)：电容Ca_H和Ca_L预充电。通过辅助开关管Sa_H、Sa_L的体二极管和栅极电阻Rg_H、Rg_L，电容Ca_H和Ca_L的电压为-VSS_H和-VSS_L。(t1～t2)：辅助开关管Sa_H和Sa_L仍然处于截止状态。在t2时刻，桥臂下管Q2开始导通。(t2～t3)：桥臂下管Q2导通。此时，开关管S1_L处于导通状态，同时开关管S2_L和辅助开关管Sa_L处于关断状态。与此同时，辅助开关管Sa_H导通，电容Ca_H并联在桥臂上管Q1的电容CGSH两端，为开关过程中的电容CGDH供一条低阻抗支路。桥臂上管Q1的栅极阻抗大幅度减小，因此，栅源极的正向电压尖峰也相应减小，开通时刻引起的串扰问题得到抑制。(t3～t4)：桥臂下管Q2完全导通。电容Ca_H和CGSH通过栅极电阻Rg_H和-VSS_H电，直至电容Ca_H和CGSH上的电压下降至-VSS_H为止。(t4～t5)：桥臂下管Q2关断。在此过程中开关管S1_L关断，开关管S2_L开通。与此同时，辅助开关管Sa_H处于导通阶段，电容Ca_H并联在桥臂上管Q2的电容CGSH两端。桥臂上管Q2的栅极阻抗较小，因此能有效抑制栅源极的负向电压尖峰。(t5～t6)：桥臂下管Q2完全关断。辅助开关管Sa_H关断，电容Ca_H和CGSH之间断开连接。电容CGSH充电，直至其电压上升至-VSS_H为止。在图2所示的驱动电路中添加辅助开关管Sa_H和Sa_L，需要额外的控制信号来控制辅助开关管的开通和关断，其缺点主要体现在以下几个方面：1)辅助开关管需要额外的控制信号，增加了控制的复杂程度；2)影响驱动电路的布局：由于辅助开关管和电容的存在，驱动回路的面积增大，会影响高频电路中开关管的开关特性。碳化硅MOSFET在高频桥式电路中应用时，会产生串扰问题，造成碳化硅MOSFET的栅源极电压出现正向尖峰或负向尖峰，如图4所示。串扰问题对于电力电子装置的可靠性的影响极大，栅源极电压正向尖峰会引起碳化硅MOSFET的误导通，造成桥臂短路；而栅源极电压负向尖峰会引起碳化硅MOSFET的栅源极击穿。形成串扰问题的因素主要是由电路的寄生参数引起，如碳化硅MOSFET的结电容CGD(即图1和2中的CGDH和CGDL)和CGS(即图1和2中的CGSH和CGSL)，共源寄生电感(同时存在于驱动电路回路和主功率回路中)。驱动电路是否存在共源寄生电感，决定了不同的串扰现象。并且，现有的技术方案均未考虑器件封装中共源寄生电感的影响，且未针对其对串扰问题的影响采取抑制措施。综上所述，现有技术解决串扰问题时，需要在驱动电路中增加辅助电路，而辅助电路中的辅助开关管需要额外的控制信号，且控制信号需要一定的精准度，会增加数字控制的难度。而且，驱动电路中添加辅助电路后，会影响原有驱动电路的布局，使得驱动电路的回路面积增大。在高频电路中，驱动电路回路面积的增大会影响开关管的开关特性。另外，现有的技术方案均未考虑器件封装中寄生电感—共源寄生电感的影响，且未针对其对串扰问题的影响采取抑制措施。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于碳化硅MOSFET的驱动电路，用于抑制具有桥臂结构的变流器如三相桥式逆变器、全桥DC-DC变换器等中的串扰问题。当出现串扰问题时，驱动电路中提供低阻抗支路，减小栅源极电压变化。本专利技术在不增加驱动电路的复杂性的前提下，抑制了串扰问题引起的碳化硅MOSFET栅源极电压尖峰，提高了基于碳化硅MOSFET的电力电子装置的可靠性。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种基于碳化硅MOSFET的驱动电路，所述碳化硅MOSFET包括桥臂上管Q1和桥臂下管Q2；电感LS2H和电感LS2L分别为Q1和Q2的封装引脚的共源寄生电感；其特征在于：所述碳化硅MOSFET的驱动电路的开通和关断回路经过不同的回路，还包括：四个电容Ca1_H、Ca2_H、Ca1_L和Ca2_L，电容Ca2_H的作用是减小封装引脚上的共源寄生电感LS2H的影响，电容Ca2_H并联在共源寄生电感LS2H和用于提供关断负压的电压源-VSS_H上；电容Ca2_L的作用是减小封装引脚上的共源寄生电感LS2L的影响，电容Ca2_L并联在共源寄生电感LS2L和用于提供关断负压的电压源-VSS_L上；电容Ca1_H的作用是在Q1发生串扰时，为碳化硅MOSFET封装内部的结电容CGDH的充放电电流提供更低阻抗的回路，电容Ca1_H并联在Q1关断栅极电阻Roff_H上；电容Ca1_L的作用是在Q2发生串扰时，为碳化硅MOSFET封装内部的结电容CGDL的充放电电流提供更低阻抗的回路，电容Ca1_L并联在Q2关断栅极电阻Roff_L上。在上述驱动电路中，Q1的驱动电路的开通回路经过电压源VGS_H、开关管S1_H和开通栅极电阻Ron_H；Q1的驱动电路的关断回路经过电压源-VSS_H、开关管S2_H和关断栅极电阻Roff_H；Q2的驱动电路的开通回路经过电压源VGS_L、开关管S1_L和开通栅极电阻Ron_L；Q2的驱动电路的关断回路经过电压源-VSS_L、开关管S2_L和关断栅极电阻Roff_L。在上述驱动电路中，Q1的驱动电路中开关管S1_H和开关管S2_H驱动信号互补；Q2的驱动电路中开关管S1_L和开关管S2_L驱动信号互补。在上述驱动电路中，Q1的封装内部包括栅源极结电容CGSH、栅漏极结电容CGDH和漏源极结电容CDSH；Q2的封装内部包括栅源极结电容CGSL、栅漏极结电容CGDL和漏源极结电容CDSL；Q1和Q2的封装内部连接线的共源寄生电感分别为电感LS1H和电感LS1L；Q1和Q2内部栅极电阻分别为电阻RG1H和电阻RG1L。在上述驱动电路中，在Q1发生串扰时，电容Ca1_H足够大，使大部分结电容CGDH变化电流将要流过电容Ca1_H，而不是结电容CGSH，Q1栅源极上电压尖峰将减小；在Q2发生串扰时，电容Ca1_L足够大，使大部分结电容CGDL变化电流将要流过电容Ca1_L，而不是结电容CGSL，Q2栅源极上电压尖峰将减小。在上述驱动电路中，当电流急剧变化时，共源寄生电感LS2H上感应产生电压降并且存储能量，此时电容Ca2_H上电压和能量也随之变化，当电容Ca2_H足够大时，共源寄生电感LS2H与驱动电路Q1解耦，共源寄生电感LS2H的影响减小；当电流急剧变化时，共源寄生电感LS2L上感应产生电压降并且存储能量，此时电容Ca2_L上电压和能量也随之变化，当电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于碳化硅MOSFET的驱动电路，所述碳化硅MOSFET包括桥臂上管Q1和桥臂下管Q2；电感LS2H和电感LS2L分别为Q1和Q2的封装引脚的共源寄生电感；其特征在于：所述碳化硅MOSFET的驱动电路的开通和关断回路经过不同的回路，还包括：四个电容Ca1_H、Ca2_H、Ca1_L和Ca2_L，电容Ca2_H的作用是减小封装引脚上的共源寄生电感LS2H的影响，电容Ca2_H并联在共源寄生电感LS2H和用于提供关断负压的电压源‑VSS_H上；电容Ca2_L的作用是减小封装引脚上的共源寄生电感LS2L的影响，电容Ca2_L并联在共源寄生电感LS2L和用于提供关断负压的电压源‑VSS_L上；电容Ca1_H的作用是在Q1发生串扰时，为碳化硅MOSFET封装内部的结电容CGDH的充放电电流提供更低阻抗的回路，电容Ca1_H并联在Q1关断栅极电阻Roff_H上；电容Ca1_L的作用是在Q2发生串扰时，为碳化硅MOSFET封装内部的结电容CGDL的充放电电流提供更低阻抗的回路，电容Ca1_L并联在Q2关断栅极电阻Roff_L上。

【技术特征摘要】
1.一种基于碳化硅MOSFET的驱动电路，所述碳化硅MOSFET包括桥臂上管Q1和桥臂下管Q2；电感LS2H和电感LS2L分别为Q1和Q2的封装引脚的共源寄生电感；其特征在于：所述碳化硅MOSFET的驱动电路的开通和关断回路经过不同的回路，还包括：四个电容Ca1_H、Ca2_H、Ca1_L和Ca2_L，电容Ca2_H的作用是减小封装引脚上的共源寄生电感LS2H的影响，电容Ca2_H并联在共源寄生电感LS2H和用于提供关断负压的电压源-VSS_H上；电容Ca2_L的作用是减小封装引脚上的共源寄生电感LS2L的影响，电容Ca2_L并联在共源寄生电感LS2L和用于提供关断负压的电压源-VSS_L上；电容Ca1_H的作用是在Q1发生串扰时，为碳化硅MOSFET封装内部的结电容CGDH的充放电电流提供更低阻抗的回路，电容Ca1_H并联在Q1关断栅极电阻Roff_H上；电容Ca1_L的作用是在Q2发生串扰时，为碳化硅MOSFET封装内部的结电容CGDL的充放电电流提供更低阻抗的回路，电容Ca1_L并联在Q2关断栅极电阻Roff_L上。2.如权利要求1所述的基于碳化硅MOSFET的驱动电路，其特征在于：Q1的驱动电路的开通回路经过电压源VGS_H、开关管S1_H和开通栅极电阻Ron_H；Q1的驱动电路的关断回路经过电压源-VSS_H、开关管S2_H和关断栅极电阻Roff_H；Q2的驱动电路的开通回路经过电压源VGS_L、开关管S1_L和开通栅极电阻Ron_L；Q2的驱动电路的关断回路经过电压源-VSS_L、开关管S2_L和关断栅极电阻Roff_L。3.如权利要求1或2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳，梁美，郑琼林，郝瑞祥，李虹，林飞，游小杰，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11