SiCMOSFET驱动电路制造技术

本申请技术方案提供一种SiC MOSFET驱动电路，包括：输出侧逻辑控制模块，用于输出n路同向端控制电压和m路反向端控制电压，n、m≥1；阶梯波形电路，包括运算放大器、n个同向端电阻、m个反向端电阻、连接在所述运算放大器的输出端和反向输入端之间的反馈电阻以及连接在所述运算放大器的同向输入端和地之间的第一电阻；所述阶梯波形电路的输出端与所述运算放大器的输出端连接，用于输出SiC MOSFET的驱动控制信号；其中，所述n个同向端电阻的一端分别对应输入n路同向端控制电压，另一端连接所述运算放大器的同向输入端；所述m个反向端电阻的一端分别对应输入m路反向端控制电压，另一端连接所述运算放大器的反向输入端。端连接所述运算放大器的反向输入端。端连接所述运算放大器的反向输入端。

【技术实现步骤摘要】
SiC MOSFET驱动电路


[0001]本申请涉及电力电子
，尤其涉及一种SiC MOSFET驱动电路。

技术介绍

[0002]电力电子功率变换器作为电能利用的重要装置，在生产和生活中着重要作用。电力电子功率变换器的核心是功率半导体器件，很大程度上决定了电力电子功率变换器的性能。目前，大部分功率半导体器件是硅(Si)半导体材料，其特性已接近理论极限，成为电力电子功率变换器进一步发展的瓶颈。与Si功率器件相比，碳化硅(SiC)功率器件具有更加优异特性：SiC功率器件具有更高的开关速度，能够在更高的结温下工作，可以同时实现高频、高电压和大电流。这些特性能够显著提升半导体功率变换器的性能，获得更高的电能转换效率，实现更高的功率密度，降低系统成本等。
[0003]在电力电子变换器中，微控制器发出的控制信号属于弱电信号，不能直接驱动功率半导体器件，需要在微控制器与功率半导体器件之间设置驱动电路。驱动电路主要是对微控制器发出的弱电控制信号整形、功率放大后实现对功率半导体器件的通断控制；当功率半导体器件及其所在电路中出现故障时，也要由驱动电路将故障信息传回微控制器。故驱动电路是弱电控制信号与强电功率回路之间交互的桥梁，驱动电路的可靠性直接影响电力电子变换器的整体可靠性。
[0004]在SiC MOSFET(Metal
‑
Oxide
‑
Semiconductor Field
‑
Effect
‑
Transistor，金属
‑
>氧化物
‑
半导体型场效应管)实际设计应用中，几个典型因素对电力电子变换器的整体性能尤其重要：
[0005]1、SiC MOSFET驱动信号需要正压开通，还需要负压关断，以提高可靠性。驱动电路不仅要有正压，还需要有负压。
[0006]2、SiC MOSFET比同样电压等级的Si MOSFET更快的开关速度会产生很大的电流转换效率(di/dt)，在栅极驱动电阻和杂散电感上产生电压若超过了栅极的阈值电压，则会发生误导通。上述情况在上下桥臂的各种拓扑结构中特别明显，上下桥臂SiC MOSFET的相互串扰，很容易发生误导通。
[0007]3、如图1所示的主功率换流回路电路模型，主功率换流回路电感L
Loop
由器件封装电感L
LEAK
、PCB线路电感L
PCB
和母线电容等效串联电感L
CBUS
三部分组成。
[0008]在SiC MOSFET关断过程中，漏源电流I
DS
迅速由负载电流I
L
下降至零，快速变化的电流会在主功率换流回路电感L
Loop
上产生压降，导致器件漏源电压V
DS
上出现明显的过冲和振荡。当V
DS
过冲高于器件的耐压值时，就有可能造成器件过电压失效，故需要掌握电压过冲的机理并对其进行有效抑制，确保器件运行在安全工作域。
[0009]现有驱动电路方案基本都是采用输入侧与输出侧的信号、供电隔离的基本架构，即输入侧信号与输出信号之间通过光耦(光隔离)或变压器(磁隔离)实现隔离，输入侧供电与输出侧供电也是完全隔离，并能承受很高的隔离耐压。当应用电路中采用的是桥式拓扑，则桥臂上下管之间的驱动和供电也是相互隔离的。
[0010]1、单管应用，单极性电源供电，驱动脉冲只设正压驱动，不设负压关断，零电压关断。
[0011]2、单管应用，单极性电源供电，采用外围电路搭建出驱动脉冲的正压和负压，如图2中(a)(b)(c)所示的应用实例。
[0012]3、单管应用，双极性电源供电，采用专用的驱动芯片实现驱动脉冲的正压和负压。
[0013]4、半桥应用，上下管串联。单极性电源供电，采用外围电路搭建出驱动脉冲的正压和负压，如图3中(a)(b)(c)所示的应用实例。
[0014]5、半桥应用，上下管串联。双极性电源供电，采用专用的驱动芯片实现驱动脉冲的正压和负压。
[0015]现有方案存在以下缺点：
[0016]1、单管应用时，没有上下管之间的串扰问题，可以不设置负压关断；但由于SiC本身的材料特性，在使用过程中器件温度升高之后，驱动阈值电压Vgs(th)会随温度升高而降低，从而增到受扰后的误导通可能。
[0017]2、单管或半桥应用时，驱动电路供电的单极性电源，一般是在驱动电路输出与栅源之间用稳压二极管等分立元件搭建出正负压生产电路。多个分立元件的使用，增加了驱动回路的复杂度，降低了可靠性；多个分立元件中稳压二级管是功能实现的核心器件，该稳压二级管受温度、电磁干扰等因素影响，电平精度差；另外，在实际电路板铺设时，多个分立元件占据的电路板位置，拉大了驱动电路与SiC MOSFET之间的距离，导致寄生参数复杂，尤其是杂散电感变大，影响驱动效果。
[0018]3、单管或半桥应用时，专用的驱动芯片实现驱动脉冲的正压和负压，需要使用专用驱动芯片，成本高，通用性差。
[0019]4、SiC MOSFET栅极与源极之间能够承受的驱动负电压极限值非常有限，关断时采用负压驱动信号，与桥臂串扰向下尖峰叠加，存在负压超过极限值，造成损坏风险。
[0020]5、关断时采用负压驱动信号，当采用体二极管续流时，由于体二极管压降随负压大小变化，造成续流过程中体二极管损耗大。
[0021]6、正常运行、短路故障、过流故障等情况关断设置普遍采用硬关断，SiC MOSFET所在电路发生短路或过流故障时，驱动电路会立即关断栅极驱动电压，从而快速关断故障电流。硬关断造成过高的di/dt，在杂散电感的作用下，过高的di/dt会产生过高的V
DS
尖峰电压，存在使SiC MOSFET过电压失效风险。

技术实现思路

[0022]本申请要解决的技术问题是现有的SiC MOSFET驱动电路产生的驱动信号对电路和元器件的影响、损耗甚至损坏。
[0023]为解决上述技术问题，本申请提供了一种SiC MOSFET驱动电路，包括：输出侧逻辑控制模块，用于输出n路同向端控制电压和m路反向端控制电压，n、m≥1；阶梯波形电路，包括运算放大器、n个同向端电阻、m个反向端电阻、连接在所述运算放大器的输出端和反向输入端之间的反馈电阻以及连接在所述运算放大器的同向输入端和地之间的第一电阻；所述阶梯波形电路的输出端与所述运算放大器的输出端连接，用于输出SiC MOSFET的驱动控制信号；其中，所述n个同向端电阻的一端分别对应输入n路同向端控制电压，另一端连接所述
运算放大器的同向输入端；所述m个反向端电阻的一端分别对应输入m路反向端控制电压，另一端连接所述运算放大器的反向输入端。
[0024]在本申请的一些实施例中，所述运算放大器的输出端电压V
O
(x)为：
[0025][0026]其中，R
f
为反馈电阻，R1、R2、R本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SiC MOSFET驱动电路，其特征在于，包括：输出侧逻辑控制模块，用于输出n路同向端控制电压和m路反向端控制电压，n、m≥1；阶梯波形电路，包括运算放大器、n个同向端电阻、m个反向端电阻、连接在所述运算放大器的输出端和反向输入端之间的反馈电阻以及连接在所述运算放大器的同向输入端和地之间的第一电阻；所述阶梯波形电路的输出端与所述运算放大器的输出端连接，用于输出SiC MOSFET的驱动控制信号；其中，所述n个同向端电阻的一端分别对应输入n路同向端控制电压，另一端连接所述运算放大器的同向输入端；所述m个反向端电阻的一端分别对应输入m路反向端控制电压，另一端连接所述运算放大器的反向输入端。2.根据权利要求1所述的SiC MOSFET的驱动电路，其特征在于，所述运算放大器的输出端电压V
O
(x)为：其中，R
f
为反馈电阻，R1、R2、R3、
……
、R
n
‑2、R
n
‑1、R
n
为同向端电阻，V
I(1)
、V
I(2)
、V
I(3)
、
……
、V
I(n
‑
2)
、V
I(n
‑
1)
、V
I(n)
为同向端控制电压，R'1、R'2、R'3、
……
、R'
m
‑2、R'
m
‑1、R'
m
为反向端电阻，V'
I(1)
、V'
I(2)
、V'
I(3)
、
……
、V'
I(m
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：赵凤俭，
申请(专利权)人：飞锃半导体上海有限公司，
类型：发明
国别省市：