基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路及其控制方法技术

本发明专利技术公开了基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路及其控制方法，SiC BJT比例驱动电路包括稳态低损驱动电路、动态快速开关电路以及反馈控制电路。控制方法中，稳态基极驱动电流的确定由集电极电流的大小和碳化硅双极性晶体管的结温共同确定，通过实时反馈来动态改变稳态基极驱动电流的大小。与现有的比例驱动电路相比，本发明专利技术方案结合了SiC BJT的器件特性，考虑了温度对SiC BJT电流增益的影响，从而能够合理设置基极驱动电流裕量，降低稳态驱动损耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及基于结温和电流反馈的SiCBJT比例驱动电路及其控制方法，属于电力电子控制

技术介绍
随着碳化硅功率器件的兴起，双极型晶体管重新获得了业内研发者的关注。SiCBJT具有导通电阻低、开关速度快、耐高温、易于并联等优势，是一种非常有前景的高压大电流功率器件。但SiCBJT为电流型功率器件，需要稳态电流来维持其导通状态。减小驱动损耗是SiCBJT的一个重要应用瓶颈，而在驱动损耗中稳态导通时的损耗占总驱动损耗的比例最大。有学者将6ASiCBJT功率管应用于2kWboost变换器中进行测试，发现在开关频率为50kHz时，稳态损耗占总驱动损耗的75％；当开关频率为100kHz时，稳态损耗占总驱动损耗的63％；当开关频率为200kHz时，稳态损耗占总驱动损耗的47％。因此，为了减小稳态驱动损耗，相关文献中采用比例驱动的方式进行功率管的驱动。比例驱动即基极驱动电流的大小随控制量动态改变。达林顿连接和变压器法为早期适用于SiCBJT的两种典型驱动方法，但由于器件性能差异，当这两种方法使用在SiCBJT场合时会出现很多问题。达林顿接法中开关管的导通压降将会增大将近3V，变压器方案会在驱动回路中引入寄生电感，在大电流高速开关的应用场合将引起电压突变，对其开关性能有很大的影响。图1所示为现有改进的比例驱动方案，该驱动将一系列并联电阻与开关串联。每一个电阻都与一个开关串联，这样就能通过控制开关的闭合与打开来控制驱动电阻的大小，从而实现控制基极驱动电流大小的目的。以上的驱动方式均是从集电极电流对基极电流驱动影响的角度出发，并未考虑温度对SiCBJT的影响。SiCBJT的电流增益为负温度特性，以GeneSiC公司型号为GA06JT12-247的SiCBJT为例。图2为该功率管的电流增益与结温的关系曲线，在结温为25℃时电流增益约为59，当结温上升到175℃时，电流增益降为35。为了确保在不同温度下SiCBJT能够维持导通，基极驱动电流的确定通常是取最大结温下对应的电流增益。然而，在很多应用场合，这样的设置驱动电流裕量较大，带来很多不必要的驱动损耗。因此，需要寻求一种考虑结温影响的比例驱动方案，使基极的驱动电流可以动态的随结温和集电极电流动态改变，合理设置驱动电流裕量，降低驱动损耗。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供基于结温和电流反馈的SiCBJT比例驱动电路及其控制方法，不仅可以通过集电极电流控制基极驱动电流大小，而且可以通过结温控制驱动电流，使驱动电流维持在较小的安全裕量范围内，降低稳态驱动损耗。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：基于结温和电流反馈的SiCBJT比例驱动电路，包括动态快速开关电路、稳态低损驱动电路以及反馈控制电路；所述动态快速开关电路的输入端接高压电源，输出端接SiCBJT基极；稳态低损驱动电路的输入端接低压电源，输出端接SiCBJT基极；反馈控制电路的输入端分别接SiCBJT集电极电流和结温测量点，输出端接稳态低损驱动电路。作为本专利技术电路的一种优选方案，所述动态快速开关电路包括高压侧第一开关管、高压侧第二开关管、电阻、储能电容；所述高压侧第一开关管一端接高压电源，另一端分别接高压侧第二开关管的一端、电阻一端；电阻另一端接储能电容一端，储能电容另一端接SiCBJT基极；高压侧第二开关管的另一端接高压电源的地。作为本专利技术电路的一种优选方案，所述稳态低损驱动电路包括并联可调开关管和电阻电路网络、低压侧第一开关管、低压侧第二开关管、防反流二极管；所述并联可调开关管和电阻电路网络包括多个并联的支路，每个支路由一个稳态电阻和一个开关串联而成；各稳态电阻的另一端接低压电源，各开关的另一端接低压侧第一开关管的一端，各开关的导通或关断由反馈控制电路控制；低压侧第一开关管的另一端分别接防反流二极管的阳极、低压侧第二开关管的一端；低压侧第二开关管的另一端接低压电源的地；防反流二极管的阴极分别接储能电容的另一端、SiCBJT基极。基于结温和电流反馈的SiCBJT比例驱动电路的控制方法，所述控制方法具体如下：在反馈控制电路中预先设置SiCBJT的电流增益与其结温和集电极电流之间的关系表；实时采样SiCBJT的集电极电流和结温，将集电极电流信号和结温信号转为电信号并反馈到反馈控制电路，计算出实时的电流增益，根据电流增益从上述关系表中确定开关管的导通数量，实时调节稳态基极驱动电流的大小。作为本专利技术方法的一种优选方案，所述控制方法的具体步骤如下：在SiCBJT开通的瞬间：闭合高压侧第一开关管，由动态快速开关电路提供SiCBJT导通的基极电流；在SiCBJT开通后：闭合低压侧第一开关管，由并联可调开关管和电阻电路网络向SiCBJT提供稳态基极驱动电流；在SiCBJT关断时：关断高压侧第一开关管、低压侧第一开关管，闭合高压侧第二开关管，储能电容经过电阻以及高压侧第二开关管进行放电。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术提出一种基于结温和电流反馈的SiCBJT比例驱动电路，导通和关断瞬态的驱动电流由动态快速开关电路产生，保证了双极性晶体管的高开关速度；稳态导通驱动电流由稳态低损驱动电路产生，降低稳态驱动损耗。2、本专利技术能够在高速开关前提下，结合碳化硅双极性晶体管的电流增益特性，稳态基极驱动电流由集电极电流和结温反馈共同控制，动态调整稳态基极驱动电流的大小，使驱动电流维持在较小的安全裕量范围内，减小稳态驱动损耗。附图说明图1是本专利技术的
技术介绍
中成比例驱动的双电源驱动电路图。图2是本专利技术的
技术介绍
中SiCBJT功率管的电流增益与结温的关系曲线图。图3是本专利技术基于结温和电流反馈的SiCBJT比例驱动电路图。图4是本专利技术的具体实施方案中成比例控制开关管导通数量表。图5是本专利技术的具体实施方案中开关管的开关时序图。图6是本专利技术的具体实施方案中SiCBJT理想基极驱动电流图。其中，VCCL为低压电源；RB1、RB2、…、RBn、RBH均为稳态电阻；RSW1、RSW2、…、RSWn均为开关；S1L、S2L分别为低压侧第一、第二开关管；D1为防反流二极管；VCCH为高压电源；S1H、S2H分别为高压侧第一、第二开关管；CBH为储能电容；B、C、E分别为SiCBJT的基极、集电极、发射极。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。基于结温和集电极电流反馈的SiCBJT比例驱动电路，包括：动态快速开关电路、稳态低损驱动电路以及反馈控制电路。动态快速开关电路一端接高压电源，另一端接碳化硅双极性晶体管基极。稳态低损驱动电路一端接低压电源，另一端接碳化硅双极性晶体管基极，稳态低损驱动电路还包括并联可调开关管和电阻电路网络，由多个串联的开关和电阻支路并联组成。反馈控制电路输入端接碳化硅双极性晶体管集电极和结温测量点、输出端接并联可调开关管和电阻电路网络。驱动电路采用高压快速开通支路与低压比例驱动电路相结合的双电源供电形式，可同时满足驱动损耗小和开关速度快的要求。由高压侧第一、第二开关管S1H、S2H，储能本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于结温和电流反馈的SiC BJT比例驱动电路，其特征在于，包括动态快速开关电路、稳态低损驱动电路以及反馈控制电路；所述动态快速开关电路的输入端接高压电源，输出端接SiC BJT基极；稳态低损驱动电路的输入端接低压电源，输出端接SiC BJT基极；反馈控制电路的输入端分别接SiC BJT集电极电流和结温测量点，输出端接稳态低损驱动电路。

【技术特征摘要】
1.基于结温和电流反馈的SiCBJT比例驱动电路，其特征在于，包括动态快速开关电路、稳态低损驱动电路以及反馈控制电路；所述动态快速开关电路的输入端接高压电源，输出端接SiCBJT基极；稳态低损驱动电路的输入端接低压电源，输出端接SiCBJT基极；反馈控制电路的输入端分别接SiCBJT集电极电流和结温测量点，输出端接稳态低损驱动电路。2.根据权利要求1所述基于结温和电流反馈的SiCBJT比例驱动电路，其特征在于，所述动态快速开关电路包括高压侧第一开关管、高压侧第二开关管、电阻、储能电容；所述高压侧第一开关管一端接高压电源，另一端分别接高压侧第二开关管的一端、电阻一端；电阻另一端接储能电容一端，储能电容另一端接SiCBJT基极；高压侧第二开关管的另一端接高压电源的地。3.根据权利要求2所述基于结温和电流反馈的SiCBJT比例驱动电路，其特征在于，所述稳态低损驱动电路包括并联可调开关管和电阻电路网络、低压侧第一开关管、低压侧第二开关管、防反流二极管；所述并联可调开关管和电阻电路网络包括多个并联的支路，每个支路由一个稳态电阻和一个开关串联而成；各稳态电阻的另一端接低压电源，各开关的另一端接低压侧第一开关管的一端，各开关的导...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘清，秦海鸿，聂新，余俊月，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32