一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路

摘要

本发明提供了一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路，用于SiC、GaN等宽禁带半导体器件在桥臂电路中的高速驱动。基于负反馈控制原理，在不牺牲开关速度的前提下，自动抑制栅源电压干扰，实现高速开关下的栅压稳定。所述电路包括：驱动推挽电路、驱动电阻、辅助电容和辅助MOSFET。其中驱动推挽电路为普通的MOSFET驱动芯片，驱动电阻为电阻R，辅助电容为电容C，辅助MOSFET为P沟道MOSFET Qp。该MOSFET栅极负反馈有源驱动电路结构简单，易于实现，可在不牺牲SiC、GaN等宽禁带半导体器件开关速度的前提下，自动抑制栅源电压干扰，实现高速开关下的栅压稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路。

背景技术

基于碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等宽禁带材料的MOSFET的高开关速度使变换器获得效率、功率密度优势，是高性能电力电子变换领域的重要技术保障。但更高开关速度带来更大干扰，成为制约SiC/GaN MOSFET充分发挥快速特性的主要瓶颈之一。

国内外学者对栅极电压干扰抑制方法进行了研究，可以大致归纳为无源类抑制方法和有源类抑制方法。

无源类方法，采用无源元件对栅极寄生振荡进行抑制，主要包括：在栅源极之间增加辅助电容、栅极驱动采用负向关断电压等，参见文献[1-3]。虽然在栅源极之间增加辅助电容，可以分担源自米勒电容的干扰电流，避免其流入栅极，抑制了栅极干扰，但是附加的辅助电容会使开关速度变慢、开关损耗增大，导致开关性能变差。栅极驱动采用负向关断电压的方法，由于增加了栅极电压的负向偏置，有效防止了栅极干扰触发误导通，但代价是恶化了栅极电压的负向应力。

为达到更好的MOSFET栅极电压干扰抑制效果，研究人员引入栅极前馈控制，研究了多种有源抑制技术。文献[4]引入四个开关管组成的辅助电路，构成多电平有源驱动(Multi-level Active Gate Driver,Multi-level AGD)通过FPGA(fieldprogrammablegate arrays)控制器检测器件的干扰信号，基于器件参数模型预测振荡趋势，以避免干扰影响，文献中的实测波形显示，在dv/dt＝5V/ns时，Multi-level AGD技术可以有效抑制栅极干扰。然而，考虑到SiC/GaN MOSFET的开关时间和栅极干扰振荡周期短至几十纳秒，采样的传播延迟与开关时间、振荡周期可能是可比的，甚至更长，检测信号的传播延迟问题是一项挑战。文献[2,3,5]研究了有源米勒钳位技术(Active Miller Clamp，AMC)，其工作原理是在检测到栅极电压高于钳位阈值后，主动使能在栅源极之间的辅助晶体管，将栅极直接钳位于负向偏置电压。然而，在快速开关瞬态过程中，检测信号的抗干扰问题是一项挑战，这是因为更大的dv/dt引发更高频率的栅极干扰振荡，由于共源电感、检测回路杂散电感的干扰，检测所得信号容易产生较大偏差。文献[2]研究表明AMC技术在dv/dt低于20V/ns时，可以显著改善栅极干扰振荡，但是，在较高的dv/dt情况下，对于栅极干扰振荡，特别是负向振荡的缓解作用有限。文献[6]提出了两种米勒电容耦合振荡抑制方法：一是，栅极阻抗调节技术(Gate Impedance Regulation，GIR)，由一个开关管和一个电容组成的辅助电路，根据驱动信号规律预测栅极振荡趋势，通过逻辑信号发生器控制辅助开关管，在开关瞬态过程中降低栅极阻抗，从而钳位栅极电压，抑制栅极干扰，dv/dt可达24.4V/ns；二是，栅极电压控制技术(Gate Voltage Control，GVC)，由两个开关管和一个二极管组成的辅助电路，根据驱动信号规律预测栅极振荡趋势，通过逻辑信号发生器控制辅助开关管，在开关瞬态之前对栅源电容进行预充电，从而反向抵消干扰振荡趋势，dv/dt可达24.9V/ns。在后续研究中，文献[7]提出了智能栅极驱动器(Intelligent Gate Drive，IGD)，由两个开关管和两个二极管组成的辅助电路，在不同的开关瞬态下，根据驱动信号规律预测栅极振荡趋势，通过逻辑信号发生器控制辅助开关管，通过改变功率器件的栅极电压和栅极阻抗，抑制栅极干扰。实测波形显示，在dv/dt＝40V/ns时，IGD技术可以有效抑制栅极干扰。然而，不同工况下，MOSFET承受的电压和电流不同，栅极干扰振荡幅值和频率也不尽相同。MOSFET的运行工况变化时，根据固定规律预测栅极干扰振荡趋势易出现过补偿或欠补偿，影响前馈控制精度。利用前馈控制栅极电压抑制干扰的方法，一般通过检测栅极电压或干扰源，根据驱动信号规律或根据MOSFET参数模型预测振荡趋势，提前采取措施，避免寄生振荡。然而，高速开关干扰使得栅极寄生振荡具有高频特性，因此，检测信号易受干扰且存在明显误差；振荡趋势受MOSFET工作环境影响，难以精确预测，容易造成前馈控制的不准确。

综上所述，鉴于栅极干扰的高频特性及前馈控制精度限制，典型栅极前馈控制下MOSFET可承受的电压变化率(dv/dt)有限，因此，通过控制栅极电压以有源抑制栅极寄生振荡，目前仍是一项极具挑战的工作。栅极干扰现象因而更加显著，成为充分发挥SiC/GaNMOSFET快速特性的主要瓶颈之一。

参考文献如下：

[1]ZENG Z,LI X.Comparative Study on Multiple Degrees ofFreedom ofGate Drivers for Transient Behavior Regulation of SiC MOSFET[J].IEEETransactions on Power Electronics,2018,33(10):8754-8763.

[2]STMicroelectronics AN-5355.Mitigation Technique of the SiC MOSFETGate Voltage Glitches with Miller Clamp[EB/OL].Available online at https://www.st.com(accessed on 18March,2020).

[3]Avago Technologies AN-5314.Active Miller Clamp[EB/OL].Availableonline at http://www.avagotech.com(accessed on 18March,2020).

[4]ZHAO S,DEARIEN A,WU Y,et al.Adaptive Multi-Level Active GateDrivers for SiC Power Devices[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2020,35(2):1882-1898.

[5]CHEN Z,DANILOVIC M,BOROYEVICH D,et al.Modularized DesignConsideration of a General-Purpose,High-Speed Phase-Leg PEBB Based on SiCMOSFETs:Proceedings ofthe 201114th European Conference on Power ElectronicsandApplications[C].Birmingham,UK:30Aug.-1Sept.2011.

[6]ZHANG Z,WANG F,TOLBERT L M,et al.Active Gate Driver for CrosstalkSuppression of SiC Devices in a Phase-Leg Configuration[J].IEEE Transactionson Power Electronics,2014,29(4):1986-1997.

[7]ZHANG Z,DIX J,WANG F,et al.Intelligent Gate Drive for FastSwitching and Crosstalk Suppression of SiC Devices[J].IEEE Transactions onPower Electronics,2017,32(12):9319-9332.

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路，使得在不牺牲MOSFET开关速度以及不增加电路复杂性的前提下，自动抑制栅源电压干扰。

本发明是这样实现的：一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路，用于连接驱动信号，进行控制被控MOSFET的开和关，包括：

一辅助MOSFET，所述辅助MOSFET为P沟道MOSFET，所述辅助MOSFET源极与被控MOSFET栅极相连接，用于构造负反馈调节机制，所述辅助MOSFET漏极连接到驱动电压；所述驱动电压为驱动芯片经过无源网络滤波后的电压。

进一步地，还包括：第一节点、第二节点以及第三节点；

驱动推挽电路，用于提供驱动电流以驱动被控MOSFET，所述驱动信号连接至所述驱动推挽电路，所述驱动推挽电路与第三节点串联；

驱动电阻R，所述驱动电阻R一端与驱动推挽电路串联，另一端与第一节点相连，用于限制驱动推挽电路对辅助电容C的充放电电流，第一节点与被控MOSFET源极之间的电压差为驱动电压；

辅助电容C，所述辅助电容C一端与第一节点相连接，另一端通过第三节点与被控MOSFET源极相连接，与驱动电阻R构成无源网络，用于调节被控MOSFET的开关速度；

所述辅助MOSFET漏极和栅极通过第二节点与所述驱动电阻R串联，所述辅助MOSFET源极与被控MOSFET栅极相连接，用于构造负反馈调节机制。

进一步地，所述驱动推挽电路包括一MOSFET驱动芯片、开通偏置电压V

进一步地，所述辅助MOSFET的漏源击穿电压不小于V

本发明的优点在于：一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路，结构简单，易于实现，不依赖额外的电路，仅采用普通的MOSFET的驱动芯片、驱动电阻、辅助MOSFET和辅助电容即可实现。在功能上，该MOSFET栅极负反馈有源驱动电路能够在不牺牲MOSFET开关速度的前提下，自动抑制栅源电压干扰，实现高速开关下的栅压稳定。在后续的实例中，相比传统的无源抑制方案，该MOSFET栅极负反馈有源驱动电路可以实现更大幅度的栅源电压振荡抑制，而且，不会以牺牲开关速度为代价，开关速度尚有一定程度的提高。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明所述的一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路的结构示意图；

图2是本发明所述的一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路的控制框图；

图3为根据本发明实施例的桥臂结构中的栅极负反馈有源驱动；

图4a是根据本发明实施例的栅极负反馈有源驱动的Q

图4b是根据本发明实施例的栅极负反馈有源驱动的Q

图5a是根据本发明实施例的一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路对照的无任何抑制措施的实验电路图；

图5b是根据本发明实施例的一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路对照的采用被动抑制措施的实验电路图；

图5c是根据本发明实施例的一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路对照的采用负反馈有源驱动的实验电路图；

图6a是根据本发明实施例的无干扰抑制的传统驱动电路中一个开关周期内的实验波形；

图6b是根据本发明实施例的无干扰抑制的传统驱动电路中v

图6c是根据本发明实施例的无干扰抑制的传统驱动电路中v

图7a是根据本发明实施例的采用无源抑制方法的驱动电路中一个开关周期内的实验波形；

图7b是根据本发明实施例的采用无源抑制方法的驱动电路中v

图7c是根据本发明实施例的采用无源抑制方法的驱动电路中v

图8a是根据本发明实施例的采用MOSFET栅极负反馈有源驱动电路中一个开关周期内的实验波形；

图8b是根据本发明实施例的采用MOSFET栅极负反馈有源驱动电路中v

图8c是根据本发明实施例的采用MOSFET栅极负反馈有源驱动电路中v

具体实施方式

本发明一种实施方式：

如图1所示，采用所述MOSFET栅极负反馈有源驱动电路驱动MOSFET Q

若被控MOSFET Q

如图2所示，是本发明所述电路所特有的负反馈调节机制。本发明所述驱动电路通过该机制屏蔽脉冲电压、脉冲电流的干扰，实现高速开关下的栅压稳定。驱动电压v

如图3所示，本实施例展示了用于桥臂结构的负反馈有源驱动电路。其中，桥臂上管Q

MOSFET的米勒电容C

如图4a和图4b所示，分别展示了图3所示电路的Q

1、如图4a所示，Q

开通模态1：开通延迟阶段t

开通模态2：电流上升阶段t

开通模态3：电压下降阶段t

开通模态4：电压下降阶段t

开通模态4之后，由于上述负反馈机制的存在，Q

2、如图4b所示，Q

关断模态1：关断延迟阶段t

关断模态2：电压上升阶段t

关断模态3：电压上升阶段t

关断模态4：电流下降阶段t

关断模态4之后，由于图1实施例所示负反馈机制的存在，Q

本发明所述栅极负反馈有源驱动电路参数设计原则叙述如下。

(1)被控MOSFET选型原则

本发明所述栅极负反馈有源驱动时，需首先依据功率变换装置的工作环境，确定被控MOSFET，作为主功率电能变换的开关器件。与传统驱动方式下的功率变换装置的功率开关器件选型原则一致，一般在功率变换装置额定工作状态下，计算获得的器件的最大工作电压、工作电流，确保MOSFET处于安全工作区内，参考器件允许的最大漏源极电压和最大漏极电流，确定MOSFET型号。在该实施实例中，选择商业化程度较高且大功率电能变换领域较为典型的一款器件，作为被控MOSFET，以示范验证所提方法的技术可行性。该MOSFET的最大漏源极电压1200V、最大漏极电流56A，型号是IMZ120R030M1H。

(2)驱动芯片选型及其外围电路设计原则

由于被控MOSFET的阈值电压较低(约2-4V)，虽然栅极负反馈有源驱动电路具有稳定栅源电压，屏蔽脉冲电压和脉冲电流干扰影响的作用，但并非完全根除栅极的不稳定问题。因此，驱动的负压关断是十分必要的。推荐开通偏置电压V

推荐共模瞬变抗扰度CMTI≥100V/ns(全温度范围内)。在驱动能力上，芯片输出电流应不小于(V

(3)辅助MOSFET选型原则

辅助MOSFET需选取与被控MOSFET沟道特性对偶的器件实现，一般情况下，被控MOSFET为N沟道，因此，辅助MOSFET应为P沟道MOSFET。同时，为保证控制精度，辅助MOSFET的跨导增益远大于1(S)。此外，由于被控MOSFET的开通和关断过程中，辅助MOSFET需承受一定的电压和电流，因此，为保证辅助MOSFET安全工作，需根据驱动芯片设计的开通偏置电压V

(4)辅助电容和驱动电阻设计原则

驱动芯片输出端连接的辅助电容和驱动电阻(如图1中的C和R)，一起影响v

辅助电容C在功能上还有解耦作用，缩短驱动芯片输出端与辅助MOSFET与被控MOSFET栅源极构成回路的“电气周长”。推荐辅助电容C在桥臂电路的功率回路无阻尼自振荡频率处，具有不大于0.2Ω的阻抗，即：

该实施例中，被控MOSFET(IMZ120R030M1H)的输出容C

辅助电容C选取之后，即可设计驱动电阻R。驱动电阻R与辅助电容C的乘积τ＝RC，是该阻容电路的充放电时间常数。充放电时间常数τ与栅源电压上升下降斜率成反比，即较大的充放电时间常数τ将导致较缓慢的栅源电压上升下降时间，因此，被控MOSFET的开关速度也将变缓。反之，若需加快被控MOSFET的开关速度，如需要降低损耗、提高效率的场合，就可以采用较小的充放电时间常数τ，获得较快的开关速度。然而，驱动电阻R在功能上还需兼顾对驱动芯片的限流和保护作用，开关动作伊始，驱动芯片经过驱动电阻R对辅助电容C充放电电流达到峰值(V

(5)驱动电路的PCB设计

为保证了硬件设计的可靠性，需在主功率部分减小功率线路中的寄生电感，降低功率管MOSFET漏源电压振荡和尖峰。本实施例采用了上下两层均铺铜，中间过孔连接的方式。在驱动回路中，为了使回路寄生电感尽可能的小，通过尽可能地缩短驱动回路长度，将主要元器件在满足安全规定的情况下尽可能地贴近功率管MOSFET，同时采用大面积铺铜的方式缩短驱动回路，以保证辅助MOSFET可以有效工作，不受引线杂散参数影响。

如图5a、5b以及5c所示，为本实施例在双脉冲电路中的实验电路，包括了一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路对照的无任何抑制措施的实验电路、一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路对照的采用被动抑制措施的实验电路以及一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路对照的采用负反馈有源驱动的实验电路；均设置一驱动脉冲驱动主动MOSFET Q

如图6a至图6c所示，为本发明实施例的无干扰抑制的传统驱动电路实验波形，主动管Q

如图7a至7c所示，为本实施例中采用无源抑制方法的驱动电路实验波形，主动管Q

如图8a至图8c所示，为本实施例中采用MOSFET栅极负反馈有源驱动电路实验波形。主动管Q

本发明另一种具体实施方式：

如图1所示，一种MOSFET栅极负反馈有源驱动电路，用于连接驱动信号，进行控制被控MOSFET的开和关，包括：

驱动推挽电路，用于产生控制MOSFET等宽禁带半导体器件的驱动电压v

驱动电阻R，所述驱动电阻R一端与驱动推挽电路串联，另一端与第一节点相连，用于限制驱动推挽电路对辅助电容C的充放电电流，起限流和保护的作用；第一节点与被控MOSFET源极之间的电压差为驱动电压；

辅助电容C，所述辅助电容C一端与第一节点相连接，另一端通过第三节点与被控MOSFET源极S相连接，与驱动电阻R构成无源网络，用于调节被控MOSFET的开关速度；

辅助MOSFET，所述辅助MOSFET为P沟道MOSFET，所述辅助MOSFET源极与被控MOSFET栅极相连接，用于构造负反馈调节机制，所述辅助MOSFET漏极连接到驱动电压；所述驱动电压为驱动芯片经过无源网络滤波后的电压；所述P沟道MOSFET漏极D

所述驱动推挽电路包括一MOSFET驱动芯片、开通偏置电压V

所述P沟道MOSFET在被控MOSFET的开通和关断过程中，需承受一定的电压和电流，因此，为保证其安全工作，需根据驱动芯片设计的开通偏置电压V

所述辅助电容C功能上除可调节被控MOSFET开关速度外，同时也可缩小驱动芯片、辅助MOSFET、被控MOSFET栅源极三者构成的回路面积，实现驱动回路的高频解耦。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。