优化碳化硅MOSFET开通波形的开环驱动电路制造技术

本实用新型专利技术公开了一种优化碳化硅MOSFET开通波形的开环驱动电路，包括：驱动电压波形发生器，用于产生一个预设上升沿的驱动电压波形；变门极驱动电阻控制电路，用于在开通暂态过程的不同阶段控制门极驱动电阻的大小，其中，在电流上升阶段，碳化硅MOSFET的栅源电压变化率和驱动电压上升变化率一致，以通过控制驱动电压上升变化率控制电流上升变化率和反向电流；在电压下降阶段，增加门极电流，以加速电压下降过程，并减小开通损耗；在稳定导通阶段，增加门极阻尼电阻，以在不影响开关速度下，抑制门极电压超调。该驱动电路结构简单，较易实现，成本较低，可在减小开通损耗的情况下，同时抑制反向电流尖峰和门极电压超调。

【技术实现步骤摘要】
优化碳化硅MOSFET开通波形的开环驱动电路
本技术涉及电力电子电路
，特别涉及一种优化碳化硅MOSFET开通波形的开环驱动电路。
技术介绍
碳化硅MOSFET是一种新型的电力半导体，目前离大规模产业化尚有一定距离。由于碳化硅器件开关速度快，门极电压会有较为严重的门极震荡和超调，可能击穿门极氧化层造成器件永久失效，较大的电流变化率会带来较严重的电磁干扰和较大的开通反向电流。虽然CREE等厂家提供了驱动，但是该驱动只能通过改变门电阻改变碳化硅MOSFET的开关暂态过程，只能平衡折中门极电压超调和开关损耗、开关速度和开关损耗，难以实现碳化硅MOSFET的优化驱动。闭环驱动电路常用于硅IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)的优化驱动，需要额外的检测电路和反馈电路，但由于碳化硅MOSFET开关速度快，对检测电路和反馈电路的带宽要求和抗干扰能力要求很高，实现复杂，难以用于工程应用。开环驱动电路不需要检测电路和反馈电路即可优化碳化硅MOSFET的开通波形。图1是一种用于碳化硅MOSFET的开环驱动电路，在电流上升阶段使用较大电阻Rgon，控制电流上升变化率和反向电流尖峰，通过延时电路控制开关管Qbst，使其在电压下降阶段开通，并通过电阻Rbst注入额外的门极电流，加速电压下降变化率，减小开通损耗。工作原理如下：t0-t2：Qbst处于关段状态，驱动电压VCC通过门极电阻Rgon给碳化硅MOSFET输入电容Ciss(Cgs和Cgd之和)充电，控制电阻Rgon可控制电流上升变化率和反向电流；t2-t3：控制延时时间使Qbst在该阶段开通，驱动电压VCC通过门极电阻Rgon和Rbst给门极充电。电阻Rbst支路会产生额外的门极电流Igbst，加速电压下降过程，减小开通损耗。相关技术的驱动电路可以控制反向电流的同时优化开通损耗，但却存在以下缺点：1)延时时间固定，只能在特定的负载条件下，具有较好的优化效果；2)门极电压超调严重，门极电压超调通常存在在t3-t4阶段，该阶段门极阻尼电阻是Rgon和Rbst并联的等效电阻，阻尼较小，门极电压尖峰会更大。综上所述，相关技术优化碳化硅MOSFET开通波形时，分为闭环驱动和开环驱动两大类。闭环驱动存在电路复杂，成本昂贵，检测电路易受干扰等缺点。开环驱动电路虽然电路简单、较易实现等优点，但目前的开环驱动很难实现在优化开通损耗的情况下，同时抑制反向电流尖峰和门极电压超调。
技术实现思路
本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本技术的目的在于提出一种优化碳化硅MOSFET开通波形的开环驱动电路，该驱动电路结构简单，较易实现，成本较低，可在减小开通损耗的情况下，同时抑制反向电流尖峰和门极电压超调。为达到上述目的，本技术提出了一种优化碳化硅MOSFET开通波形的开环驱动电路，包括：驱动电压波形发生器，用于产生一个预设上升沿的驱动电压波形；变门极驱动电阻控制电路，用于在开通暂态过程的不同阶段控制门极驱动电阻的大小，其中，在电流上升阶段，碳化硅MOSFET的栅源电压变化率和驱动电压上升变化率一致，以通过控制所述驱动电压上升变化率控制电流上升变化率和反向电流；在电压下降阶段，增加门极电流，以加速电压下降过程，并减小开通损耗；在稳定导通阶段，增加门极阻尼电阻，以在不影响开关速度下，抑制门极电压超调。本实用的优化碳化硅MOSFET开通波形的开环驱动电路，可独立控制电流上升阶段和电压下降阶段的暂态过程，可增加电容电压VC1的上升时间控制反向电流尖峰，但门电阻很小，可加速电压下降暂态过程，减小开通损耗，打破了传统驱动电路下反向电流尖峰和开通损耗的矛盾，可在不影响开通速度的情况下抑制门极电压超调，通过加入较大门电阻，抑制门极电压超调，但并没有影响暂态过程，不会影响碳化硅MOSFET的开通速度。进一步地，所述驱动电压波形发生器包括：第一电容C1；电感L1和第一电阻R1，所述电感L1和第一电阻R1相互并联且均与所述第一电容C1相连，以对所述第一电容C1充电。进一步地，所述变门极驱动电阻控制电路包括：第一门极驱动电阻Rgon1和第二门极驱动电阻Rgon2，所述第二门极驱动电阻Rgon2的阻值大于所述第一门极驱动电阻Rgon1的阻值；MOS管MOSon，在所述电流上升阶段和所述电压下降阶段时，所述MOS管MOSon处于开通状态，门极电阻为所述第一门极驱动电阻Rgon1，并且在所述稳定导通阶段，所述MOS管MOSon处于关断状态，门极电阻为所述第一门极驱动电阻Rgon1和第二门极驱动电阻Rgon2之和。进一步地，驱动电压VCC通过并联的所述电感L1和所述第一电阻R1给所述第一电容C1充电，所述第一电容C1两端电压有一个上升时间，图腾柱输出电压紧紧跟随所述第一电容C1的电压。进一步地，调整所述电感L1、所述第一电阻R1和所述第一电容C1的值，以实现所述驱动电压VCC上升变化率。进一步地，在电流上升阶段，栅源电压Vgs紧紧跟随第一电容电压VC1，根据漏极电流变化率正比所述栅源电压Vgs变化率的关系，控制第一电容电压VC1上升时间，进而控制栅源电压变化率，以控制电流上升变化率和反向电流尖峰。进一步地，在电压下降阶段，所述第一电容电压VC1从米勒电压继续往驱动电压VCC增加，在所述第一门极驱动电阻Rgon1上产生较大的门极电流给米勒电容充电，加速电压下降过程，减小开通损耗。进一步地，在稳定导通阶段，随着所述第一电容电压VC1的增加，所述MOS管MOSon的栅源电压减小，当所述栅源电压小于阈值电压时，MOSon关断，所述门极电阻Rgon为所述第一门极驱动电阻Rgon1和第二门极驱动电阻Rgon2之和。进一步地，在稳定导通阶段，所述门极阻尼电阻Rgon较大，阻尼因子较大，门极电压超调较小。进一步地，在所述门极阻尼电阻Rgon足够大时，所述阻尼因子大于1，门极电压超调完全抑制。本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。附图说明本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为相关技术的用于碳化硅MOSFET的开环驱动电路示意图；图2为碳化硅MOSFET传统驱动电路示意图；图3为传统驱动电路和相关技术的开环驱动电路驱动下开通暂态过程的比较示意图；图4为根据本技术一个实施例的优化碳化硅MOSFET开通波形的开环驱动电路的结构示意图；图5为根据本技术一个实施例的驱动电路下门极电压和电流的典型波形的示意图。图6为根据本技术一个实施例的驱动电路在t0-t3时刻门极电流流通路径的示意图；图7为根据本技术一个实施例的驱动电路在t0-t3时刻等效电路的示意图；图8为根据本技术一个实施例的驱动电路在t3-t4时刻门极电流流通路径的示意图；图9为根据本技术一个实施例的驱动电路在t3-t4时刻等效电路的示意图。具体实施方式下面详细描述本技术的实施例，所述实施例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例是示例性的，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种优化碳化硅MOSFET开通波形的开环驱动电路，其特征在于，包括：驱动电压波形发生器，用于产生一个预设上升沿的驱动电压波形；变门极驱动电阻控制电路，用于在开通暂态过程的不同阶段控制门极驱动电阻的大小，其中，在电流上升阶段，碳化硅MOSFET的栅源电压变化率和驱动电压上升变化率一致，以通过控制所述驱动电压上升变化率控制电流上升变化率和反向电流；在电压下降阶段，增加门极电流，以加速电压下降过程，并减小开通损耗；在稳定导通阶段，增加门极阻尼电阻，以在不影响开关速度下，抑制门极电压超调。

【技术特征摘要】
1.一种优化碳化硅MOSFET开通波形的开环驱动电路，其特征在于，包括：驱动电压波形发生器，用于产生一个预设上升沿的驱动电压波形；变门极驱动电阻控制电路，用于在开通暂态过程的不同阶段控制门极驱动电阻的大小，其中，在电流上升阶段，碳化硅MOSFET的栅源电压变化率和驱动电压上升变化率一致，以通过控制所述驱动电压上升变化率控制电流上升变化率和反向电流；在电压下降阶段，增加门极电流，以加速电压下降过程，并减小开通损耗；在稳定导通阶段，增加门极阻尼电阻，以在不影响开关速度下，抑制门极电压超调。2.根据权利要求1所述的优化碳化硅MOSFET开通波形的开环驱动电路，其特征在于，所述驱动电压波形发生器包括：第一电容C1；电感L1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆海峰，韩洋，柴建云，李永东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：新型
国别省市：北京,11