一种适用于高频应用的谐振门极驱动电路制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于高频应用的谐振门极驱动电路，包括谐振电容Cr、谐振电感Lr、辅助开关管一、辅助开关管二、主开关管一、主开关管二以及主功率器件Q1；所述谐振电容Cr与谐振电感Lr串联，谐振电感Lr与辅助开关管一的源极相连，辅助开关管一的漏极与辅助开关管二的漏极相连，辅助开关管二的源极与主开关管一的源极、主开关管二的漏极以及主功率器件Q1的门极相连，主开关管一的漏极连接到正电源电压VCC，主开关管二的源极连接负电源电压VEE。本发明专利技术驱动电路利用谐振电感Lr和谐振电容Cr以及四个开关管S1～S4实现门极谐振驱动，驱动电路能够回收门极驱动功率，减小驱动回路损耗，缩短主功率器件的导通和关断时间。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高频应用的谐振门极驱动电路
本专利技术属于电路驱动领域，具体是涉及到一种适用于高频应用的谐振门极驱动电路拓扑设计。
技术介绍
随着电力电子器件的发展，宽禁带半导体器件越来越多的被人们所关注，电力电子装置朝着高频化、集成化的方向发展。目前电力电子器件的开关频率能够达到MHz以上，这对高频驱动电路的设计带来了很大的挑战。减小驱动回路寄生参数以及减小驱动电路损耗成了研究热点。目前许多公司像CREE、罗姆等都设计出适合高频应用的驱动电路，它们使用最多的驱动电路结构就是将驱动的推挽输出级通过一个门极电阻Rg的形式加到功率开关管的门极，或者在门极使用不同的驱动电阻Ron和关断电阻Roff，这样不仅减缓了开关管的门极的导通速度和关断速度，而且增大了门极驱动损耗，同时门极杂散电感的存在也会影响到驱动脉冲的性能。因此需要设计出一款谐振门极驱动电路来加快开关速度和减小损耗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为解决现有技术的不足，提供一种适用于高频应用的谐振门极驱动电路，来提高开关速度和减小驱动损耗。本专利技术采用的技术方案为：一种适用于高频应用的谐振门极驱动电路，包括谐振电容Cr、谐振电感Lr、辅助开关管一、辅助开关管二、主开关管一、主开关管二以及主功率器件Q1；所述谐振电容Cr与谐振电感Lr串联，谐振电感Lr与辅助开关管一的源极相连，辅助开关管一的漏极与辅助开关管二的漏极相连，辅助开关管二的源极与主开关管一的源极、主开关管二的漏极以及主功率器件Q1的门极相连，主开关管一的漏极连接到正电源电压VCC，主开关管二的源极连接负电源电压VEE；所述的谐振门极驱动电路包括8个工作模态，通过顺序导通S1～S4可以有效的驱动主功率器件，8个工作模态包括：模态1，[t0-t1]阶段：t0时刻之前，主开关管二处于导通状态，主功率器件Q1的门极电压被钳位在负电源电压VEE，主功率器件Q1处于关闭状态。在[t0-t1]阶段，辅助开关管二零电流导通，谐振电容Cr如同一个稳定的电压源开始对谐振电感Lr进行预充电，电流流通路径为谐振电容Cr-谐振电感Lr-辅助开关管一-辅助开关管二-主开关管二，电感电流iL线性上升，主功率器件Q1门极电压为负电源电压VEE并处于关断状态；模态2，[t1-t2]阶段：t1时刻，主开关管二零电压关断，电感电流iL给门极充电，门极电流ig近似为一恒定值，实现恒流驱动，电流流通路径为谐振电容Cr-谐振电感Lr-辅助开关管一-辅助开关管二-门极电容Ciss，这时主功率器件Q1门极电压谐振上升；模态3，在[t2-t3]阶段：t2时刻，门极电压Vgs上升到正电源电压VCC，二极管VD1导通，门极电压Vgs＝VCC+VD，这时主开关管一零电压导通，电感电流减小，储存在电感中的能量回馈给电源；模态4，在[t3-t4]阶段：t3时刻，辅助开关管二零电流关断，主功率器件Q1门极与负电源电压VEE相连，主功率器件Q1可靠导通；模态5，在[t4-t5]阶段：t4时刻，辅助开关管一零电流导通，电感电流反向上升，电流流通路径为正电源电压VCC-主开关管一-辅助开关管二-辅助开关管一-谐振电感Lr-谐振电容Cr，主功率器件Q1仍然处于导通状态；模态6，在[t5-t6]阶段：t5时刻，主开关管一零电压关断，主功率器件Q1门极电容开始放电，放电路径为门极电容Ciss-辅助开关管二-辅助开关管一-谐振电感Lr-谐振电容Cr，主功率器件Q1门极电压谐振下降；模态7，在[t6-t7]阶段：t6时刻，主开关管二导通，进入续流阶段，然后主开关管二零电压导通，电流通路为主开关管二-辅助开关管二-辅助开关管一-谐振电感Lr-谐振电容Cr，电感电流回馈给谐振电容Cr；模态8，在[t7-t8]阶段：t7时刻，辅助开关管一零电流关断，主功率器件Q1门极与负电源电压VEE相连，门极电压钳位在负电源电压VEE，主功率器件Q1可靠关断。作为优选，所述谐振电感Lr与主功率器件Q1的门极电容Cgs发生谐振，使得门极存储的能量回馈给谐振电容Cr。作为优选，所述谐振电容Cr、谐振电感Lr、辅助开关管二和主开关管二构成预充电回路，增大了门极驱动电流，加快了主功率器件的导通速度。作为优选，所述谐振电容Cr、谐振电感Lr、辅助开关管一和主开关管一构成预放电回路，增大了反向门极电流，加快了主功率器件的关断速度。作为优选，所述谐振电感Lr吸收驱动回路中的杂散电感，从而避免了杂散电感引起的驱动波形变形的后果，保证了驱动脉冲的质量。本专利技术驱动电路利用谐振电感Lr和谐振电容Cr以及四个开关管S1～S4实现门极谐振驱动，同时驱动电路能够回收门极驱动功率，减小驱动回路损耗，缩短主功率器件的导通时间和关断时间。该谐振门极驱动电路脉冲波形包括电感预充电、谐振上升、门极钳位、可靠导通、电感反向预充电、谐振下降、门极钳位、可靠关断这八个阶段。所述的谐振门极驱动电路主开关管一导通时，与主开关管一漏极相连的正电源电压VCC为主功率器件的驱动电压，能够保证主功率器件可靠导通。主开关管二导通时，与主开关管二漏极相连的负电源电压VEE为主功率器件的关断电压，能够保证主功率器件可靠关断。所述谐振电容Cr以及谐振电感Lr与主功率器件的门极电容Ciss构成谐振门极部分，能够实现能量的回馈，减小驱动回路损耗；正电源电压VCC可以实现主功率器件Q1可靠导通，负电源电压VEE可以实现主功率器件Q1的可靠关断，同时负向驱动电压可以抑制驱动回路干扰，防止开关管误导通。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案有以下优点：(1)本专利技术利用谐振电感Lr和电容Cr能够实现门极能量的回馈，减小了电路的驱动损耗，提高驱动性能。(2)本专利技术利用辅助开关管二，能够实现电感电流的预充电，加快了门极驱动电压的上升时间，提高开关速度。(3)本专利技术利用辅助开关管一，能够实现电感电流的预放电，加快了门极驱动电压的下降时间，提高开关速度。(4)本专利技术无需考虑门极杂散电感对于驱动电压波形的影响，谐振电感Lr可以吸收门极杂散电感,从而优化门极驱动电压波形。(5)主开关管一和主开关管二工作在ZVS模式,辅助开关管一和辅助开关管二工作在ZCS模式,减小了主开关管和辅助开关管的开关损耗。附图说明图1是本专利技术驱动电路拓扑示意图；图2为驱动电路各个开关管驱动信号以及电路关键参数波形图；图3为本设计电路关键参数的波形图；图4为SiCMOSFET门极驱动电压波形图；图5为电容Cr两端电压波形图；图6谐振门极与传统门极驱动脉冲波形对比图。图7为实测辅助开关管驱动波形图。图8为SiCMOSFET门极电压VGS与门极电流ig实验波形图。图9为有无门极钳位电路驱动脉冲对比图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案做进一步说明。如图1所示，一种适用于高频应用的谐振门极驱动电路，包括谐振电容Cr1、谐振电感Lr2、辅助开关管一3、辅助开关管二4、主开关管一5、主开关管二6以及主功率器件Q17；所述谐振电容Cr1与谐振电感Lr2串联，谐振电感Lr2与辅助开关管一3的源极相连，辅助开关管一3的漏极与辅助开关管二4的漏极相连，辅助开关管二4的源极与主开关管一5的源极、主开关管二6的漏极以及主功率器件Q17的门极相连，主开关管一5的漏极连接到正电源电压VCC，主开关管二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于高频应用的谐振门极驱动电路，其特征在于：包括谐振电容Cr、谐振电感Lr、辅助开关管一、辅助开关管二、主开关管一、主开关管二以及主功率器件Q1；所述谐振电容Cr与谐振电感Lr串联，谐振电感Lr与辅助开关管一的源极相连，辅助开关管一的漏极与辅助开关管二的漏极相连，辅助开关管二的源极与主开关管一的源极、主开关管二的漏极以及主功率器件Q1的门极相连，主开关管一的漏极连接到正电源电压VCC，主开关管二的源极连接负电源电压VEE；所述的谐振门极驱动电路包括8个工作模态，通过顺序导通S1～S4可以有效的驱动主功率器件，8个工作模态包括：模态1，[t0‑t1]阶段：t0时刻之前，主开关管二处于导通状态，主功率器件Q1的门极电压被钳位在负电源电压VEE，主功率器件Q1处于关闭状态。在[t0‑t1]阶段，辅助开关管二零电流导通，谐振电容Cr如同一个稳定的电压源开始对谐振电感Lr进行预充电，电流流通路径为谐振电容Cr‑谐振电感Lr‑辅助开关管一‑辅助开关管二‑主开关管二，电感电流iL线性上升，主功率器件Q1门极电压为负电源电压VEE并处于关断状态；模态2，[t1‑t2]阶段：t1时刻，主开关管二零电压关断，电感电流iL给门极充电，门极电流ig近似为一恒定值，实现恒流驱动，电流流通路径为谐振电容Cr‑谐振电感Lr‑辅助开关管一‑辅助开关管二‑门极电容Ciss，这时主功率器件Q1门极电压谐振上升；模态3，在[t2‑t3]阶段：t2时刻，门极电压Vgs上升到正电源电压VCC，二极管VD1导通，门极电压Vgs＝VCC+VD，这时主开关管一零电压导通，电感电流减小，储存在电感中的能量回馈给电源；模态4，在[t3‑t4]阶段：t3时刻，辅助开关管二零电流关断，主功率器件Q1门极与负电源电压VEE相连，主功率器件Q1可靠导通；模态5，在[t4‑t5]阶段：t4时刻，辅助开关管一零电流导通，电感电流反向上升，电流流通路径为正电源电压VCC‑主开关管一‑辅助开关管二‑辅助开关管一‑谐振电感Lr‑谐振电容Cr，主功率器件Q1仍然处于导通状态；模态6，在[t5‑t6]阶段：t5时刻，主开关管一零电压关断，主功率器件Q1门极电容开始放电，放电路径为门极电容Ciss‑辅助开关管二‑辅助开关管一‑谐振电感Lr‑谐振电容Cr，主功率器件Q1门极电压谐振下降；模态7，在[t6‑t7]阶段：t6时刻，主开关管二导通，进入续流阶段，然后主开关管二零电压导通，电流通路为主开关管二‑辅助开关管二‑辅助开关管一‑谐振电感Lr‑谐振电容Cr，电感电流回馈给谐振电容Cr；模态8，在[t7‑t8]阶段：t7时刻，辅助开关管一零电流关断，主功率器件Q1门极与负电源电压VEE相连，门极电压钳位在负电源电压VEE，主功率器件Q1可靠关断。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于高频应用的谐振门极驱动电路，其特征在于：包括谐振电容Cr、谐振电感Lr、辅助开关管一、辅助开关管二、主开关管一、主开关管二以及主功率器件Q1；所述谐振电容Cr与谐振电感Lr串联，谐振电感Lr与辅助开关管一的源极相连，辅助开关管一的漏极与辅助开关管二的漏极相连，辅助开关管二的源极与主开关管一的源极、主开关管二的漏极以及主功率器件Q1的门极相连，主开关管一的漏极连接到正电源电压VCC，主开关管二的源极连接负电源电压VEE；所述的谐振门极驱动电路包括8个工作模态，通过顺序导通S1～S4可以有效的驱动主功率器件，8个工作模态包括：模态1，[t0-t1]阶段：t0时刻之前，主开关管二处于导通状态，主功率器件Q1的门极电压被钳位在负电源电压VEE，主功率器件Q1处于关闭状态。在[t0-t1]阶段，辅助开关管二零电流导通，谐振电容Cr如同一个稳定的电压源开始对谐振电感Lr进行预充电，电流流通路径为谐振电容Cr-谐振电感Lr-辅助开关管一-辅助开关管二-主开关管二，电感电流iL线性上升，主功率器件Q1门极电压为负电源电压VEE并处于关断状态；模态2，[t1-t2]阶段：t1时刻，主开关管二零电压关断，电感电流iL给门极充电，门极电流ig近似为一恒定值，实现恒流驱动，电流流通路径为谐振电容Cr-谐振电感Lr-辅助开关管一-辅助开关管二-门极电容Ciss，这时主功率器件Q1门极电压谐振上升；模态3，在[t2-t3]阶段：t2时刻，门极电压Vgs上升到正电源电压VCC，二极管VD1导通，门极电压Vgs＝VCC+VD，这时主开关管一零电压导通，电感电流减小，储存在电感中的能量回馈给电源；模态4，在[t3-t4]阶段：t3时刻，辅助开关管二零电流关断，主功率器件Q1门极与负电源电压VEE相连，主功率器件Q...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建忠，吴海富，朱耀东，赵进，
申请(专利权)人：东南大学，嘉兴学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32