一种SiCMOSFET有源驱动电路

一种sic mosfet有源驱动电路
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种sic mosfet有源驱动电路。


背景技术：

2.硅基电力电子器件由于其材料特性的限制，已经无法满足如今电力电子领域对于半导体器件的高性能要求。基于此，以碳化硅(sic)为代表的宽禁带半导体材料应运而生，相比硅(si)器件，sic器件具有更低的导通电阻、更快的开关速度、更高的击穿电压和热导率等，这些优异的特性使得sic器件在高频率和高功率密度方面有着显著的优势。但是sic器件更快的开关速度也给其应用带来了挑战，由于sic器件过快的开关速度会产生很大的电压、电流变化率，加之线路中存在杂散电感，所以功率器件在开关过程中漏极电流会出现很大的尖峰和振荡，开通过程尤其严重。漏极电流的尖峰和振荡不仅会增加器件的应力、威胁器件的安全运行，而且会加剧系统的电磁干扰的发射。因此有效抑制sic器件开通过程中漏极电流的尖峰和振荡是sic器件应用过程中亟需解决的问题。
3.目前，针对这个问题常用的手段是优化pcb设计和增大驱动电阻。通过优化pcb布局，减小线路的杂散电感，这种方法对于硬件设计的要求较高；增加驱动电阻的也可以在一定程度上抑制尖峰和振荡，但单纯的增大驱动电阻会增加开关延迟，减缓开关速度，增加开关损耗，这就牺牲了sic器件的优势；另外缓冲电路和有源钳位也可以在一定程度上抑制电压尖峰和振荡，但是功率电路中附加的电容或电感等元器件会增加功率电路侧的损耗，降低变换器的效率。


技术实现要素：

本发明提出的一种sic mosfet有源驱动电路，可至少解决上述技术问题之一。
4.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种sic mosfet有源驱动电路，包括：驱动电路、电阻调节电路、电压采样电路、脉冲产生电路，其特征在于，还包括电流抽取电路和sic mosfet；所述电压采样电路的输入端与所述sic mosfet的栅极相连，所述电压采样电路的输出端与所述脉冲产生电路相连，所述脉冲产生电路的输出端与所述电流抽取电路的输入端相连，所述脉冲产生电路的输出端与所述电阻调节电路的输入端相连；所述电流抽取电路的输出端与所述sic mosfet的栅极相连；所述电阻调节电路的输入端与驱动电路的输出端相连，所述电阻调节电路的输出端与所述sic mosfet的栅极相连；所述电压采样电路，用于检测sic mosfet栅源电压；所述脉冲产生电路，用于根据电压采样电路采集的电压判断是否处于漏极电流上升阶段并输出对应的脉冲信号；所述电流抽取电路，接收脉冲产生电路产生的脉冲信号并向sic mosfet的栅极抽取电流；
所述电阻调节电路，接收脉冲产生电路产生的脉冲并改变驱动电阻阻值。
5.进一步地，所述电压采样电路包括：第一电阻r1、第二电阻r2和电容c1，其中，所述第一电阻r1一端与所述sic mosfet的栅极连接，所述第一电阻r1的另一端经过第一节点与所述第二电阻r2的一端相连，所述第二电阻r2的另一端接地，所述电容c1与所述第二电阻r2并联连接；所述电容c1用于调整所述脉冲的宽度、起始位置和结束位置，以保证所述脉冲在所述sic mosfet漏极电流上升阶段产生。
6.3．根据权利要求2所述的sic mosfet有源驱动电路，其特征在于：所述脉冲产生电路包括：第一电压比较器op1、第二电压比较器op2、上限电压v
ref1
、下限电压v
ref2
和逻辑与门u1，其中，所述第一电压比较器op1的输出端与所述第二电压比较器op2的输出端分别连接至所述逻辑与门u1的输入端，所述第一电压比较器op1的反相输入端经过第二节点与所述第二电压比较器op2的同相输入端连接，所述第一节点与所述第二节点相连，第一电压比较器op1的同相输入端连接至上限电压v
ref1
，第二电压比较器op2的反相输入端接至下限电压v
ref2
；所述上限电压v
ref1
和所述下限电压v
ref2
用于调整所述脉冲的宽度、起始位置和结束位置以保证所述脉冲在所述sic mosfet漏极电流上升阶段产生。
7.进一步地，所述电流抽取电路包括：第三电阻r3、二极管d1和nmos管q1，其中，所述第三电阻r3一端与所述nmos管q1的漏极连接，所述第三电阻r3的另一端与所述二极管d1相连，所述二极管d1的另一端与所述sic mosfet的栅极相连，所述nmos管q1的源极接地，所述nmos管q1的栅极与逻辑与门u1的输出相连。
8.进一步地，所述电阻调节电路包括：二极管d2、第四电阻r4和pmos管q2，其中，所述二极管d2一端与所述驱动电路的输出端连接，所述二极管d2另一端第四电阻r4连接，所述第四电阻r4的另一端与所述pmos管q2的源极连接，所述pmos管q2的漏极与所述sic mosfet栅极连接，所述pmos管q2的栅极与逻辑与门u1的输出连接。
9.由上述技术方案可知，本发明的sic mosfet有源驱动电路，能够有效的抑制sic mosfet开通时漏极电流的尖峰和振荡，在不牺牲sic器件优势的前提下，改善因sic mosfet漏极电流的尖峰和振荡带来成的可靠性问题和电磁干扰问题。
10.具体的说，本发明的一种sic mosfet有源驱动电路，通过电压采样电路检测sic mosfet栅源驱动电压，在sic mosfet开通过程的漏极电流上升阶段向栅极抽取电流，抑制漏极电流的变化率，从而抑制sic mosfet漏极电流的尖峰和振荡，进而在一定程度上抑制高频电磁干扰的发射。能够有效的抑制sic mosfet关开通时漏极电流的尖峰和振荡，在不牺牲sic器件优势的前提下，改善因sic mosfet漏源电压尖峰和振荡带来成的可靠性问题和电磁干扰问题。
附图说明
11.图1为本发明实施例的结构框图；图2为本发明实施例的电路结构示意图；图3为本发明实施例应用在感性斩波电路的示意图；图4为将传统驱动电路应用在感性斩波电路的实验波形示意图；
图5为根据本发明一个实施例的一种sic mosfet有源驱动电路应用在感性斩波电路的实验波形示意图。
具体实施方式
12.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
13.如图1所示，本实施例所述的sic mosfet有源驱动电路，包括驱动电路、电阻调节电路、电压采样电路、脉冲产生电路和电流抽取电路。
14.其中，电压采样电路，用于检测sic mosfet栅源的驱动电压，以根据检测电路输出的电压判断sic mosfet是否进入栅极电流上升阶段；脉冲产生电路，用于根据驱动电压产生预设宽度的脉冲；电流抽取电路，用于接受脉冲产生电路产生的脉冲，并向sic mosfet的栅极抽取电流；电阻调节电路，用于接收脉冲产生电路产生的脉冲，并改变驱动电阻阻值；本发明实施例的有源驱动电路能够有效的抑制sic mosfet开通时漏极电流的尖峰和振荡，在不牺牲sic器件优势的前提下，改善因sic mosfet漏极电流尖峰和振荡带来成的可靠性问题和电磁干扰问题，从而为抑制sic mosfet开通过程漏极电流尖峰、振荡和高频电磁干扰提供了一种有效的解决方案。
15.具体的说，电压采样电路的输入端与sic mosfet的栅极相连，电压采样电路的输出端与脉冲产生电路的输入端相连；电流抽取电路的输入端与脉冲产生电路的输出端与相连，电流抽取电路的输出端与sic mosfet的栅极相连，电阻调节电路的输出端与驱动电路和脉冲产生电路的输出连接，电阻调节电路的输出端与sic mosfet的栅极相连。
16.需要说明的是，本发明实施例的有源驱动电路既适用于sic mosfet，也适用于si mosfet。
17.下面将结合具体实施例对这种sic mosfet有源驱动电路进行进一步阐述。如图2所示，具体包括：在本发明的一个实施例中，检测电路包括：第一电阻r1、第二电阻r2和电容c1，其中，第一电阻r1一端与sic mosfet栅极连接，第一电阻r1的另一端经过第一节点
①
与第二电阻r2的一端相连，第二电阻r2的另一端接地，电容c1与第二电阻r2并联连接。电容c1用于调整脉冲的宽度、起始位置和结束位置，以保证脉冲在脉冲产生电路关断过程和sic mosfet漏极电流上升阶段产生。需要说明的是，第一电阻r1和第二电阻r2的阻值可以根据驱动电压值和脉冲产生电路输入的要求选择合适的比例，在此不做具体限定。
18.在本发明的一个实施例中，脉冲产生电路包括：第一电压比较器op1、第二电压比较器op2、上限电压v
ref1
、下限电压v
ref2
和逻辑与门u1，其中，第一电压比较器op1的输出端与第二电压比较器op2的输出端分别连接至逻辑与门u1的输入端，第一电压比较器op1的负输入端经过第
②
节点与第二电压比较器op2的正输入端连接，第一节点
①
与第二节点
②
相连，第一电压比较器op1的同相输入端连接至上限电压v
ref1
，第二电压比较器op2的反相输入端接至下限电压v
ref2
。所述上限电压v
ref1
和所述下限电压v
ref2
用于调整所述脉冲的宽度、起始位置和结束位置以保证所述脉冲在所述sic mosfet漏极电流上升阶段产生。
19.需要说明的是，本发明实施例根据脉冲产生电路的上限电压v
ref1
和下限电压v
ref2
确定检测电路输出的电压满足一定条件时，然后根据检测电路输出的电压判断所述sic mosfet进入栅极电流上升阶段。关于上限电压v
ref1
和下限电压v
ref2
的具体值，本领域技术人员可以根据实际情况设置具体的电压值，比如可以依据选用电容c1的值、具体的sic mosfet型号和驱动电阻的值确定上限电压和下限电压，在此不做具体限定。
20.在本发明的一个实施例中，电流抽取电路包括：第三电阻r3、二极管d1和nmos管q1，其中，第三电阻r3一端与二极管d1连接，第三电阻r3另一端与nmos管q1的漏极连接，二极管d1的另一端与sic mosfet的栅极相连。nmos管q1的源极与地连接，nmos管q1的栅极与逻辑与门u1的输出连接。
21.在本发明的一个实施例中，电阻调节电路包括：第四电阻r4、二极管d2和pmos管q2，其中，第三电阻r4一端与二极管d2连接，第三电阻r3另一端与pmos管q2的源极连接，二极管d2的另一端与驱动电路相连。pmos管q2的漏极与sic mosfet的栅极连接，pmos管q2的栅极与逻辑与门u1的输出连接。
22.本发明实施例提出一种注入电流型有源驱动电路用于抑制sic mosfet 漏极电流尖峰和振荡，是基于上述电路实现的，下面将对具体工作原理进行产生，具体工作原理为：当sic mosfet开通时，检测电路对驱动脉冲的下降沿进行检测，经检测电路分压后的电位介于窗口比较器v
ref1
、v
ref2
之间时，窗口比较器输出一定宽度的脉冲，脉冲宽度由与电阻r2并联的电容c1调节；脉冲经过电流抽取电路向栅极抽取电流，使得sic mosfet的电流变化率减小，从而抑制sic mosfet开通后过程的漏极电流尖峰和振荡。
23.如图3、4和5所示，图4是将传统驱动电路应用在感性斩波电路的实验波形，图5是将本发明应用在感性斩波电路的实验波形，其中，本发明实施例应用在感性斩波电路的电路结构图如图3所示。本发明实施例的有源驱动电路相对传统驱动电路有效的抑制了sic mosfet漏极电流的尖峰和振荡。
24.根据本发明实施例提出的一种sic mosfet有源驱动电路，通过电压采样电路检测驱动电压，在sic mosfet开通过程的漏极电流上升阶段向栅极抽取电流，抑制漏极电流的变化率，从而抑制sic mosfet漏极电流的尖峰和振荡，进而在一定程度上抑制高频电磁干扰的发射。能够有效的抑制sic mosfet关断时漏源极电压的尖峰和振荡，在不牺牲sic器件优势的前提下，改善因sic mosfet漏极电流尖峰和振荡带来成的可靠性问题和电磁干扰问题。
25.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
mosfet栅极连接，所述pmos管q2的栅极与逻辑与门u1的输出连接。

技术总结
本发明的一种SiC MOSFET有源驱动电路，包括驱动电路、电阻调节电路、电压采样电路、脉冲产生电路和电流抽取电路，其中，电压采样电路，用于检测SiC MOSFET的栅源电压；脉冲产生电路，用于根据电压采样电路采集的电压判断是否处于漏极电流上升阶段并输出对应的脉冲信号；电流抽取电路，用于接收脉冲产生电路产生的脉冲并向SiC MOSFET的栅极抽取电流；电阻调节电路，接收脉冲产生电路产生的脉冲并改变驱动电阻阻值。本发明实施例的有源驱动电路能够有效的抑制SiC MOSFET开通时漏极电流的尖峰和振荡，在不牺牲SiC器件优势的前提下，改善因SiC MOSFET漏极电流尖峰和振荡带来成的可靠性问题和电磁干扰问题。题和电磁干扰问题。题和电磁干扰问题。


技术研发人员：阚超豪 宇飞洋
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/6