一种改善驱动性能的SiC MOSFET主动驱动电路制造技术

本发明专利技术公开了一种改善驱动性能的SiC MOSFET主动驱动电路，本发明专利技术引入了漏极电流I

An active driver circuit of SiC MOSFET for improving driving performance

【技术实现步骤摘要】
一种改善驱动性能的SiCMOSFET主动驱动电路
本专利技术涉及电力电子
，更具体地说，涉及一种改善驱动性能的SiCMOSFET主动驱动电路。
技术介绍
SiCMOSFET作为极具发展前景的宽禁带半导体器件，所具有的高开关速度、低导通电阻、高热导率等优点，能够大幅减小电感、电容和散热器等元件的体积，可大幅减小电力电子装置的体积、重量和成本，大幅提高系统的性能。尽管SiCMOSFET具有多项优势，但其高开关速度也带来了诸多问题。SiCMOSFET极快的开关速度对因封装、布线及应用电路引起的寄生参数和器件自身的结电容等非常敏感，在高压和高开关速度的应用场合，环路内出现很高的dv/dt和di/dt，因寄生参数的存在极易产生开关振荡、过电压过电流以及驱动失效等问题，进而明显降低了SiCMOSFET应用电路的输出能力、电磁兼容性能和可靠性。此外，过电压和过电流的问题的存在必定会带来成本增加和器件容量浪费的问题。由高开关速度和寄生参数所带来的过冲、振荡和电磁干扰问题已成为影响碳化硅器件广泛应用的主要障碍之一。传统驱动电路无法动态改变驱动参数，为了限制开关过程中的过电压、过电流，一般选择较大的驱动电阻和栅极电容或添加额外的缓冲电路。此外，还可以采用主动驱动电路对器件的各开关阶段进行控制，优化器件的开关特性，降低电压电流过冲。与传统驱动电路的驱动参数(驱动电压、驱动电流、驱动电阻)在开关过程中保持恒定值不同，主动驱动电路是在传统驱动电路中加入有源控制器件，可根据需要在不同的阶段采用不同的驱动电阻、驱动电压或驱动电流进行驱动，调节器件的开关特性，可以在保持开关速度的同时，减小电压尖峰与电流过冲。主动驱动电路可以分为开环式驱动电路和闭环式驱动电路。开环式驱动电路根据SiCMOSFET的开关特性，在不同阶段中分别采用不同的栅极电阻、栅极电压进行驱动，但没有形成闭环反馈，主要有多电平控制法和多驱动电阻控制法等。多电平控制法通过改变不同阶段的驱动电压控制开关速度，如专利技术专利(专利号CN201610551724)《一种适用于直流固态功率控制器的SiCMOSFET渐变电平驱动电路及方法》、(专利号CN201810581095)《基于栅极升压的SiCMOSFET驱动电路》等。多驱动电阻控制法通过改变不同阶段的驱动电阻值控制开关速度，如专利技术专利(专利号CN201710341561.1)《一种自适应调节驱动电阻的SiCMOSFET驱动电路》、(专利号CN201810175507.9)《优化碳化硅MOSFET开通波形的开环驱动电路》等。闭环驱动电路主要是通过漏极电流、漏源极电压、栅源极电压或漏极电流变化率、漏源极电压变化率等变化量形成闭环反馈，对SiCMOSFET的开关过程进行控制，使相应的变化量按给定参考值变化，从而抑制开关过程中的电压电流峰值和振荡。闭环驱动控制的实现需要经过检测、模数转换、比较、判断、处理等多个环节，存在较大延时，难以应用到开关速度更快的SiCMOSFET器件中。因此，目前在抑制过电压过电流的SiCMOSFET多种驱动电路上存在如下的缺陷：1)采用大阻值驱动电阻或并联栅源极电容：可以有效的降低开关速度，抑制电压电流过冲，但无法对开关阶段独立控制，增加了开关延时和米勒平台时间，在降低电压电流过冲的同时会使开关损耗大幅增加，影响转换器的效率。2)使用缓冲电路：可以有效降低SiCMOSFET关断过电压，但无法降低开通过电流。此外，缓冲电路需要增加高压器件，会带来较大的附加损耗。3)多电平控制法：使用多个驱动电源串联或电阻分压网络产生所需驱动电压。电路复杂，驱动电源效率低，在高开关频率时会产生较大的驱动级损耗，难以实现在抑制电压电流过冲的同时减小或不增加开关损耗。4)多驱动电阻控制法：在电流上升阶段、电流下降阶段切换为较大的驱动电阻，以降低电流变化率，在延时阶段、米勒平台阶段切换为较小的驱动电阻，以加快这些阶段的开关速度。由于SiCMOSFET的开关速度快，需要为电阻切换电路增加更快速的驱动电路。此外，多驱动电阻控制法一般采用CPLD/FPGA等处理器才能对电阻切换进行高精度时间控制，增加了系统的成本和复杂性。5)传统闭环控制型驱动电路：可以较为精确的实现开关过程的波形控制，抑制电压电流尖峰和控制开关损耗，适应性强，但其检测、反馈、处理、驱动的过程存在较长的延时，需要用到高速数模转换芯片、FPGA/CPLD等数字处理器，成本昂贵、实现复杂。
技术实现思路
(一)技术问题基于上述的技术缺陷，本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种改善驱动性能的SiCMOSFET主动驱动电路，该主动驱动电路结构简单且动作快速可靠，能够抑制SiCMOSFET开关过程的过电压/过电流和振荡，同时控制开关过程的开关损耗减小或不显著增加，以解决电压电流过冲抑制和开关损耗难以兼顾、适应调节能力弱、实现复杂、控制响应慢的问题的缺陷。(二)技术方案本专利技术提供的一种改善驱动性能的SiCMOSFET主动驱动电路，包括dID/dt检测电路、dVDS/dt检测电路、开通过程检测判断电路、关断过程检测判断电路、驱动电流注入控制电路和驱动电流分流控制电路；所述dID/dt检测电路的输入端和输出端分别连接SiCMOSFET的主源极S和开通过程检测判断电路，dVDS/dt检测电路的输入端和输出端分别连接SiCMOSFET的漏极D和关断过程检测判断电路，主驱动电路的PWM驱动电压Vpwm连接到所述开通过程检测判断电路和关断过程检测判断电路的输入端，开通过程检测判断电路和关断过程检测判断电路的输出端都连接到驱动电流注入控制电路和驱动电流分流控制电路的输入端，主驱动电路的输出端、驱动电流注入控制电路和驱动电流分流控制电路的输出端连接到SiCMOSFET的栅极G。在其中一个实施例中，所述dID/dt检测电路的输出量为辅助源极s和主源极S之间的寄生电感LsS上的感应电压VsS，所述dVDS/dt检测电路的输出量为由分压电阻R7、R8，电容C1、电阻R9和高速运放OP1组成的微分电路的输出电压Vdv，其输出电压的电压值为-(R7/R8)*(C1*R9)*(dVds/dt)，其中Vds为SiCMOSFET的漏源极电压。在其中一个实施例中，所述开通过程检测判断电路包括限流电阻R1和R2、四个限幅二极管D1～D4构成的双限幅电路、与逻辑门U1和反相器U2，逻辑高电平定义为0V，逻辑低电平定义为负驱动电压Vee，所述开通过程检测判断电路的输入信号为Vpwm和VsS，Vpwm和VsS两者分别经过限流电阻R1和R2、四个限幅二极管D1～D4构成的双限幅电路后连接到与逻辑门U1的输入端，与逻辑门U1的输出端输出控制信号Y1，与逻辑门U1的输出端与反相器U2连接后输出另外一个输出控制信号Y2。在其中一个实施例中，所述关断过程检测判断电路包括限流电阻R3和R4、四个限幅二极管D5～D8构成的双限幅电路、或非门逻辑门U3和反向器U4，逻辑高电平定义为0V，逻辑低电平定义为负驱动电压Vee本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改善驱动性能的SiC MOSFET主动驱动电路，其特征在于，包括dI

【技术特征摘要】
1.一种改善驱动性能的SiCMOSFET主动驱动电路，其特征在于，包括dID/dt检测电路、dVDS/dt检测电路、开通过程检测判断电路、关断过程检测判断电路、驱动电流注入控制电路和驱动电流分流控制电路；所述dID/dt检测电路的输入端和输出端分别连接SiCMOSFET的主源极S和开通过程检测判断电路，dVDS/dt检测电路的输入端和输出端分别连接SiCMOSFET的漏极D和关断过程检测判断电路，主驱动电路的PWM驱动电压Vpwm连接到所述开通过程检测判断电路和关断过程检测判断电路的输入端，开通过程检测判断电路和关断过程检测判断电路的输出端都连接到驱动电流注入控制电路和驱动电流分流控制电路的输入端，主驱动电路的输出端、驱动电流注入控制电路和驱动电流分流控制电路的输出端连接到SiCMOSFET的栅极G。


2.根据权利要求1所述的主动驱动电路，其特征在于，所述dID/dt检测电路的输出量为辅助源极s和主源极S之间的寄生电感LsS上的感应电压VsS，所述dVDS/dt检测电路的输出量为由分压电阻R7和R8、电容C1、电阻R9和高速运放OP1组成的微分电路的输出电压Vdv，输出电压Vdv的电压值为-(R7/R8)*(C1*R9)*(dVds/dt)，其中Vds为SiCMOSFET的漏源极电压。


3.根据权利要求2所述的主动驱动电路，其特征在于，所述开通过程检测判断电路包括限流电阻R1和R2、四个限幅二极管D1～D4构成的双限幅电路、与逻辑门U1和反相器U2，逻辑高电平定义为0V，逻辑低电平定义为负驱动电压Vee，所述开通过程检测判断电路的输入信号为Vpwm和VsS，Vpwm和VsS两者分别经过限流电阻R1和R2、四个限幅二极管D1～D4构成的双限幅电路后连接到与逻辑门U1的输入端，与逻辑门U1的输出端输出控制信号Y1，与逻辑门U1的输出端与反相器U2连接后输出另外一个输出控制信号Y2。


4.根据权利要求3所述的主动驱动电路，其特征在于，所述关断过程检测判断电路包括限流电阻R3和R4、四个限幅二极管D5～...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘平，李海鹏，黄守道，陈梓健，陈常乐，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43