【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于sic-mosfet的自举式无源钳位驱动电路，属于第三代宽禁带半导体碳化硅器件的驱动。
技术介绍
1、近年来随着宽禁带功率半导体的蓬勃发展，以碳化硅(sic)和氮化镓(gan)为主的第三代功率半导体器件在各类电力电子变换器的应用逐渐增多，其优势主要表现在高开关频率，高功率密度，高效率和小体积等方面。比如体积方面，碳化硅功率器件的体积是传统的硅功率器件的1/3左右。碳化硅功率器件的小尺寸可以提高电源的能源密度，从而减少其重量和体积。然而在器件开关与寄生元件耦合过程中，sic器件由于其高开关频率而引起较大的dv/dt和di/dt，这会导致栅极电压出现振荡进而引起器件的误导通现象。因此需要设计相应的驱动电路来保证开关器件在变换器中的可靠利用。
2、现有方法针对串扰的解决方法可以分为设计有源电路和无源电路来抑制振荡。有源电路包括有源栅极驱动和钳位感性负载电路，虽然其可以抑制误触发震荡，但是有源电路结构复杂，不利于电路简化，且需要多路电源，输入功率损耗和成本较大。相对于有源电路，无源器件通过配合优化印刷电路板(pcb)布局可以更有效地抑制栅源电压振荡，而且工作时不会产生谐波。
3、现有无源驱动电路在抑制串扰方面，一般的方法是增加栅电阻来抑制栅源电压振荡，但这种方法通常会减慢器件的开关速度，增加开关损耗。而在实际应用中，由于器件封装和pcb布局的限制，降低这些杂散参数比较困难，且随着电路输入参数或开关频率等参数的变化，设计中很难保证栅源电压不超过最大额定值。另外，现有方法通常只能抑制正向串扰或者
技术实现思路
1、为了解决sic器件栅源电压的振荡而引起的器件失效的问题，本专利技术提供了一种基于sic-mosfet的自举式无源钳位驱动电路，该驱动电路使用无源组件以控制简化驱动器，同时具备抑制正向串扰和反向串扰的优点；该基于sic-mosfet的自举式无源钳位驱动电路包括：自举电路、栅极输入电路和正负串扰抑制电路，三者两两相连；其中，所述自举电路由外部ldo供电电路提供电源，所述栅极输入电路与外部功率芯片相连，所述正负串扰抑制电路与外部sic-mosfet相连，用于对外部sic-mosfet开启关闭过程中产生的正向串扰和负向串扰进行抑制。
2、可选的，所述自举电路包括：第一电阻r1，自举电容c1和自举二极管d1；所述正负串扰抑制电路包括p型晶体管q2，第二电阻r2，电荷平衡电容c2和续流二极管d2；所述栅极输入电路包括栅极寄生电感lg，栅极内部输入电阻rg_in，栅极外部输入电阻rg_ex，寄生电容cgs，以及源极的外部寄生电感ls；所述电路通过自举电容c1、电荷平衡电容c2和寄生电容cgs三个电容实现存储和收集电荷相互平衡的状态；
3、所述外部功率芯片包括两个功率管：上管qh和下管ql；所述外部sic-mosfet包括三极管q1，漏极寄生电感ld，源极寄生电感ls，栅极寄生电感lg，漏源电容cgd，源漏电容cds和栅源电容cgs，其中，源极寄生电感ls作为所述自举式无源钳位驱动电路中的外部寄生电感，栅源电容cgs作为所述自举式无源钳位驱动电路中的寄生电容。
4、可选的，所述自举电路中，自举二极管d1的阳极连接外部功率芯片的供电引脚vg，阴极与第一电阻r1的一端连接、并且同时与自举电容c1的一端连接；所述自举电容c1的另一端与sic-mosfet的源极连接，第一电阻r1的另一端跨过栅极输入电路与正负串扰抑制电路相连接；所述正负串扰抑制电路中，p型晶体管q2的发射极与栅极内部输入电阻rg_in的一端连接，并同时与续流二极管d2的阴极连接，p型晶体管q2的基极与栅极输入电路中的栅极外部输入电阻rg_ex的一端连接，集电极与电荷平衡电容c2和第二电阻r2的一端连接，第二电阻r2和电荷平衡电容c2的一端共同与p型晶体管q2的集电极和续流二极管d2的阳极连接，且第二电阻r2和电荷平衡电容c2的另一端共同与sic-mosfet的源极连接；续流二极管d2的阳极与电阻第二电阻r2和电荷平衡电容c2的公共端连接，续流二极管d2的阴极与p型晶体管q2的发射极和自举电路中的第一电阻r1的一端相连接；所述栅极输入电路中，栅极寄生电感lg的一端连接功率芯片的推挽输出极，所述功率芯片的输入极外接有pwm脉冲，外部寄生电感lg的另一端与栅极外部输入电阻rg_ex的一端相连接，栅极外部输入电阻rg_ex的另一端与栅极内部输入电阻rg_in相连接，且栅极外部输入电阻rg_ex的一端与正负串扰抑制电路的p型晶体管q2的发射极连接，另一端与正负串扰抑制电路的p型晶体管q2的基极连接；所述栅极内部输入电阻rg_in的一端同时与外部输入电阻rg_ex的一端、正负串扰抑制电路的p型晶体管q2的发射极以及续流二极管d2的阴极相连接，另一端与sic-mosfet的基极和栅极-源极之间的寄生电容cgs的一端相连接，栅极-源极之间的寄生电容cgs的一端与sic-mosfet的源极的外部寄生电感ls的一端相连接，源极的外部寄生电感ls的另一端接地。
5、可选的，所述电路的时间常数τ1＝(3～5)τ2，r1≥1000r2；τ1＝r1c1，τ2＝r2c2。
6、可选的，所述电路工作过程每个周期包括预充电阶段、半开启阶段、开启震荡阶段、完全开启阶段以及关断阶段；其中，预充电阶段，外部ldo供电电路提供的电源vg通过自举二极管d1和第二电阻r2给自举电容c1充电至即vc1＝vg-vd2；三极管q1截止；续流二极管d2的阴极电压高于阳极电压，续流二极管d2被反向截止；寄生电容cgs在上一周期的关断阶段中存储了一部分电荷，驱动电路内部形成从寄生电容cgs到栅极内部输入电阻rg_in再到第一电阻r1，最后到自举电容c1的放电回路，放电回路与从驱动电源电压vg通过第一电阻r1、sic-mosfet栅极内部输入电阻rg_in的电荷移动方向相反，电荷在第一电阻r1支路中和，其能量消耗于第一电阻r1上，p型晶体管q2的栅源电压vgs持续为零。
7、可选的，所述电路处于半开启阶段时，驱动信号到达，自举二极管d1关闭，p型晶体管q2的栅源电压vgs开始上升，自举电容c1的电压逐步达到vg-vd2，续流二极管d2的阴极电压仍然高于阳极电压，续流二极管d2仍然被反向截止；外部sic-mosfet器件中的三极管q1的基极电压未达到能够使其开启的截止电压，q1仍然处于关闭状态；驱动信号从功率芯片的上管qh经过栅极寄生电感lg、栅极外部电阻rg_ex、栅极内部电阻rg_in给寄生电容cgs充电，此时寄生电容cgs从0v开始充电，源极寄生电感ls受到回路电流的影响产生反向感应电动势，rg_ex用于限制栅极充放电电流，与寄生电容cgs的充电路径构成闭合回路。
8、可选的，所述电路处于开启震荡阶段时，三极管q1的基极电压达到能够使其开启时的临界电压，三极管q1导本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于SiC-MOSFET的自举式无源钳位驱动电路，其特征在于，所述电路包括：自举电路、栅极输入电路和正负串扰抑制电路，三者两两相连；其中，所述自举电路由外部LDO供电电路提供电源，所述栅极输入电路与外部功率芯片相连，所述正负串扰抑制电路与外部SiC-MOSFET相连，用于对外部SiC-MOSFET开启关闭过程中产生的正向串扰和负向串扰进行抑制。
2.根据权利要求1所述的自举式无源钳位驱动电路，其特征在于，所述自举电路包括：第一电阻R1，自举电容C1和自举二极管D1；所述正负串扰抑制电路包括P型晶体管Q2，第二电阻R2，电荷平衡电容C2和续流二极管D2；所述栅极输入电路包括栅极寄生电感LG，栅极内部输入电阻Rg_in，栅极外部输入电阻Rg_ex，寄生电容Cgs，以及源极的外部寄生电感LS；所述电路通过自举电容C1、电荷平衡电容C2和寄生电容Cgs三个电容实现存储和收集电荷相互平衡的状态；
3.根据权利要求2所述的自举式无源钳位驱动电路，其特征在于，所述自举电路中，自举二极管D1的阳极连接外部功率芯片的供电引脚VG，阴极与第一电阻R1的一端连接、并且同
4.根据权利要求3所述的自举式无源钳位驱动电路，其特征在于，所述电路的时间常数τ1＝(3～5)τ2，R1≥1000R2；τ1＝R1C1，τ2＝R2C2。
5.根据权利要求4所述的自举式无源钳位驱动电路，其特征在于，所述电路工作过程每个周期包括预充电阶段、半开启阶段、开启震荡阶段、完全开启阶段以及关断阶段；其中，预充电阶段，外部LDO供电电路提供的电源VG通过自举二极管D1和第二电阻R2给自举电容C1充电至即VC1＝VG-VD2；三极管Q1截止；续流二极管D2的阴极电压高于阳极电压，续流二极管D2被反向截止；寄生电容Cgs在上一周期的关断阶段中存储了一部分电荷，驱动电路内部形成从寄生电容Cgs到栅极内部输入电阻Rg_in再到第一电阻R1，最后到自举电容C1的放电回路，放电回路与从驱动电源电压VG通过第一电阻R1、SiC-MOSFET栅极内部输入电阻Rg_in的电荷移动方向相反，电荷在第一电阻R1支路中和，其能量消耗于第一电阻R1上，P型晶体管Q2的栅源电压Vgs持续为零。
6.根据权利要求5所述的自举式无源钳位驱动电路，其特征在于，所述电路处于半开启阶段时，驱动信号到达，自举二极管D1关闭，P型晶体管Q2的栅源电压Vgs开始上升，自举电容C1的电压逐步达到VG-VD2，续流二极管D2的阴极电压仍然高于阳极电压，续流二极管D2仍然被反向截止；外部SiC-MOSFET器件中的三极管Q1的基极电压未达到能够使其开启的截止电压，Q1仍然处于关闭状态；驱动信号从功率芯片的上管QH经过栅极寄生电感Lg、栅极外部电阻Rg_ex、栅极内部电阻Rg_in给寄生电容Cgs充电，此时寄生电容Cgs从0V开始充电，源极寄生电感LS受到回路电流的影响产生反向感应电动势，Rg_ex用于限制栅极充放电电流，与寄生电容C...
【技术特征摘要】
1.一种基于sic-mosfet的自举式无源钳位驱动电路，其特征在于，所述电路包括：自举电路、栅极输入电路和正负串扰抑制电路，三者两两相连；其中，所述自举电路由外部ldo供电电路提供电源，所述栅极输入电路与外部功率芯片相连，所述正负串扰抑制电路与外部sic-mosfet相连，用于对外部sic-mosfet开启关闭过程中产生的正向串扰和负向串扰进行抑制。
2.根据权利要求1所述的自举式无源钳位驱动电路，其特征在于，所述自举电路包括：第一电阻r1，自举电容c1和自举二极管d1；所述正负串扰抑制电路包括p型晶体管q2，第二电阻r2，电荷平衡电容c2和续流二极管d2；所述栅极输入电路包括栅极寄生电感lg，栅极内部输入电阻rg_in，栅极外部输入电阻rg_ex，寄生电容cgs，以及源极的外部寄生电感ls；所述电路通过自举电容c1、电荷平衡电容c2和寄生电容cgs三个电容实现存储和收集电荷相互平衡的状态；
3.根据权利要求2所述的自举式无源钳位驱动电路，其特征在于，所述自举电路中，自举二极管d1的阳极连接外部功率芯片的供电引脚vg，阴极与第一电阻r1的一端连接、并且同时与自举电容c1的一端连接；所述自举电容c1的另一端与sic-mosfet的源极连接，第一电阻r1的另一端跨过栅极输入电路与正负串扰抑制电路相连接；所述正负串扰抑制电路中，p型晶体管q2的发射极与栅极内部输入电阻rg_in的一端连接，并同时与续流二极管d2的阴极连接，p型晶体管q2的基极与栅极输入电路中的栅极外部输入电阻rg_ex的一端连接，集电极与电荷平衡电容c2和第二电阻r2的一端连接，第二电阻r2和电荷平衡电容c2的一端共同与p型晶体管q2的集电极和续流二极管d2的阳极连接，且第二电阻r2和电荷平衡电容c2的另一端共同与sic-mosfet的源极连接；续流二极管d2的阳极与电阻第二电阻r2和电荷平衡电容c2的公共端连接，续流二极管d2的阴极与p型晶体管q2的发射极和自举电路中的第一电阻r1的一端相连接；所述栅极输入电路中，栅极寄生电感lg的一端连接功率芯片的推挽输出极，所述功率芯片的输入极外接有pwm脉冲，外部寄生电感lg的另一端与栅极外部输入电阻rg_ex的一端相连接，栅极外部输入电阻rg_ex的另一端与栅极内部输入电阻rg_in相连接，且栅极外部输入电阻rg_ex的一端与正负串扰抑制电路的p型晶体管q2的发射极连接，另一端与正负串扰抑制电路的p型晶体管q2的基极连接；所述栅极内部输入电阻rg_in的一端同时与外部输入电阻rg_ex的一端、正负串扰抑制电路的p型晶体管q2的发射极以及续流二极管d2的阴极相连接，另一端与sic-mosfet的基极和栅极-源极之间的寄生电容cgs的一端相连接，栅极-源极之间的寄生电容cgs的一端与sic-mosfet的源极的外部寄生电感ls的一端相连接，源极的外部寄生电感ls的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的自举式无源钳位驱动电路，其特征在于，所述电路的时间常数τ1＝(3～5)τ2，r1≥1000r2；τ1＝r1c1，τ2＝r2c2。
5.根据权利要求4所述的自举式无源钳位驱动电路，其特征在于，所述电路工作过程每个周期包括预充电阶段、半开启阶段、开启震荡阶段、完全开启阶段以及关断阶段；其中，预充电阶段，外部ldo供电电路提供的电源vg通过自举二极管d1和第二电阻r2给自举电容c1充电至即vc1＝vg-vd2；三极...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨国锋，秦世清，王博翔，叶炳杰，陈华志，姜茂林，李都豪，王江铖，刘玉申，谢峰，陈飞宇，钱维莹，张向阳，张秀梅，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：
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