一种基于SiC MOSFET固态功率控制器的驱动电路

摘要

本发明属于电力电子技术领域，一种基于SiC MOSFET固态功率控制器的驱动电路。所述的控制电路，由开关及CPLD组成，接收外部通断指令通过CPLD逻辑运算来控制SiC MOSFET的驱动信号；本发明电路简单，使用SiC MOSFET有极其低的导通电阻，具有极其优越的正向压降和导通损耗，更能适应高温环境下工作；SiC MOSFET具有相对低的栅极电荷，具有性能卓越的切换速率；能够为SiC MOSFET的开通/关断提供栅源极正/负两种电压，增加了开关速率，大幅减小关断时间，降低开关损耗，提高工作频率。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，一种基于SiC MOSFET固态功率控制器的驱动电路。

背景技术

20世纪90年代以来，采用SiC材料的MOSFET技术的迅速发展，引起人们对这种新一代功率器件的广泛关注。与Si材料相比，SiC材料较高的热导率决定了其高电流密度的特性，较高的禁带宽度又决定了SiC器件的高击穿场强和高工作温度。尤其在SiC MOSFET的开发与应用方面，与相同功率等级的Si MOSFET相比，SiC MOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。

在SiC MOSFET的高频大功率应用中，系统的工作频率和开关损耗主要受到SiCMOSFET开关时间的影响，开关时间越长，开关损耗越大，工作频率越低，因此，开关时间是制约SiC MOSFET工作频率的主要因素，人们总是想方设法的减小SiC MOSFET的开通时间和关断时间。目前，减小SiC MOSFET的开通时间的方法为减小导通电阻和增大驱动电流，但是减小导通电阻会造成驱动电压的震荡，引起振铃现象，给电路中的其他元器件造成很大的电压应力，因此不能一味的减小导通电阻；增大驱动电流对驱动电源和驱动芯片提出很高要求，会使得成本急剧增加，同时，这两种方法的应用已经使得开通时间无法再小了，人们便把目光投向减小关断时间。目前主流的做法是减小关断电阻，即通过设计，使得开通和关断电路不同，关断电阻小于开通电阻，但是在SiC MOSFET的高频应用，特别是在MHz级别的应用中，这种做法作用有限。由于SiC MOSFET的特性，负压关断可以大幅减小关断时间，防止误开通。目前国际上的大厂商主要通过设计专门的驱动电源和驱动芯片来实现负压关断，但是这样不仅成本高，而且电路结构复杂，不利于推广。

CN210376577U一种SiC MOSFET栅极故障诊断系统以及模拟电路

本实用新型提供一种SiC MOSFET栅极故障诊断系统以及模拟电路,包括：栅极电荷检测电路、逻辑控制单元、放大器、第一电阻R1、第二电阻R2。该系统在SiC MOSFET运行状态中，对栅极电荷进行在线检测，根据在发生栅极故障时栅极电荷的变化情况进行栅极故障诊断，并对栅极短路故障和栅极开路故障进行识别。当栅极发生短路故障时，检测到的栅极电荷值将迅速增大到检测电路所允许的最大值；而当栅极发生开路故障时，检测到的栅极电荷在开关瞬态始终保持为零。本实用新型能够快速检测到栅极故障，以便SiC MOSFET应用系统及时停机，从而保护SiC MOSFET驱动板并防止SiC MOSFET发生二次故障。

CN109327212A一种SiC MOSFET的驱动电路

本发明属于电路控制技术领域，尤其涉及一种SiC MOSFET的驱动电路。该电路包括开关电源模块、逻辑控制模块和驱动及保护模块；开关电源模块中将开关频率产生电路和反馈电路内置于驱动芯片U1中，开关电源模块用于接收外部输入的电压，并输出SiCMOSFET驱动所需的非常规电压；逻辑控制模块用于完成对所述开关电源模块中驱动芯片U1的设置及状态的监测；驱动及保护模块用于完成SiC MOSFET的驱动，以及对驱动芯片U1和SiC MOSFET的保护。该电路将开关频率产生电路和反馈电路内置于驱动芯片中，分布干扰大大降低，电路结构简单，从而降低了成本，提高了可靠性，抑制了SiC MOSFET的误开通。

上述提到的两篇对比文件，与本专利涉及的单电源供电、利用开关信号进行双通道驱动控制的SiC MOSFET驱动电路有一定差异。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有的技术缺陷，采用常用电路元器件，提供一种双通道输出驱动电路完成负压关断SiC MOSFET，从而实现减少关断时间防止误开通的目的。

技术方案

一种基于SiC MOSFET固态功率控制器的驱动电路，

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于SiC MOSFET固态功率控制器的驱动电路，包括：控制电路和双通道驱动电路；

所述的控制电路，由开关及CPLD组成，接收外部通断指令通过CPLD逻辑运算来控制SiC MOSFET的驱动信号；

进一步的，开关用于接收外部开通/关断指令，该指令以数字信号1/0的形式输入CPLD中，CPLD根据开关的指令1/0进行逻辑运算，再与使能信号逻辑与后，一个直接输出到控制信号1，一个非逻辑后输出到控制信号2。当输出开通逻辑信号，使能信号也为1时，驱动芯片的通道1控制信号为1，通道2控制非逻辑后为0，栅源两极电压为正压；当输出关断逻辑信号，使能信号也为1时，驱动芯片的通道1控制信号为0，通道2控制非逻辑后为1，栅源两极电压为负压。

所述双通道驱动电路，由驱动输出电路和快速关断下电电路组成，在接收到控制电路的驱动信号后，输出SiC MOSFET正常开通/关断所用的驱动电压。

进一步的，双通道驱动电路的驱动输出电路包括第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第一二极管V1，第二二极管V2，双通道驱动芯片Si2873AB；其中第一电阻R1一端与双通道驱动芯片Si2873AB的第一输出通道VOA相连，另一端依次串联第二电阻R2、第三电阻R3，第四电阻R4，并由第四电阻R4与双通道驱动芯片Si2873AB的第二输出通道VOB相连；第三电阻R3的一端与SiC MOSFET的栅极相连，另一端与SiC MOSFET的源级相连；第一二极管V1的正极与SiC MOSFET的栅极相连，第一二极管V1的负极与第二二极管V2负极相连，第二二极管V2正极与SiC MOSFET的源极相连。

进一步的，双通道驱动电路的快速下电电路包括第五电阻R5和第三二级管V3；其中，第五电阻R5与第三二极管V3串联后与第一电阻R1并联，第三二极管V3正极连接于第一电阻R1与第二电阻R2之间、负极与第五电阻R5一端相连，第五电阻R5另一端与双通道驱动芯片Si2873AB的第一输出通道VOA相连。

进一步的，双通道驱动芯片Si2873AB还具有外围电路，所述外围电路包括芯片供电电路、芯片使能电路、驱动供电电路；

进一步的，所述芯片供电电路包括第一电容C1，双通道驱动芯片Si2873AB的供电输入VDDI通过第一电容C1接地滤波；

进一步的，所述芯片使能电路包括第四电容C4，第六电阻R6，双通道驱动芯片Si2873AB使能端通过第六电阻R6上拉至VDDI，并通过第四容C4接地滤波。

进一步的，所述驱动供电电路包括第二电容C2，第三电容C3，VOA的供电端VDDA通过第二电容C2接地滤波，VOB的供电端VDDB通过第三电容C3接地滤波。

技术效果

本发明电路简单，使用SiC MOSFET有极其低的导通电阻，具有极其优越的正向压降和导通损耗，更能适应高温环境下工作；SiC MOSFET具有相对低的栅极电荷，具有性能卓越的切换速率；能够为SiC MOSFET的开通/关断提供栅源极正/负两种电压，增加了开关速率，大幅减小关断时间，降低开关损耗，提高工作频率。

本发明采用的SiC MOSFET还可应用于新能源汽车领域，主要包括充电桩、车载充电机和电驱动系统。由于SiC MOSFET开关损耗小，可以进行高频开关动作，实现了滤波器等无源器件的小型化，进而提高了系统的功率密度，这对新能源汽车实现驱动模块的小型化和轻量化有重要意义。

附图说明

图1为本发明电路交联框图

图2为本发明控制电路示意图

图3为本发明双通道驱动电路示意图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下所述仅为本发明一部分实施例，非全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清晰说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明的功能电路交联框图，包括控制电路和双通道驱动电路。

所述的控制电路由开关和CPLD组成，其中，开关用于接收外部开通/关断指令，如图2所示，该指令以数字信号1/0的形式输入CPLD，CPLD根据开关的指令进行逻辑运算，再与使能信号逻辑与后，再输出两路互为非逻辑的信号进入双通道输出驱动信号。

所述的双通道驱动电路，用于产生SiC MOSFET开通/关断所需要的栅源两极正/负电压。

如图3所示，双通道驱动电路由驱动输出电路和快速关断下电电路组成，双通道驱动电路的驱动输出电路包括第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第一二极管V1，第二二极管V2，双通道驱动芯片Si2873AB；其中第一电阻R1一端与双通道驱动芯片Si2873AB的第一输出通道VOA相连，另一端依次串联第二电阻R2、第三电阻R3，第四电阻R4，并由第四电阻R4与双通道驱动芯片Si2873AB的第二输出通道VOB相连；第三电阻R3的一端与SiC MOSFET的栅极相连，另一端与SiC MOSFET的源级相连；第一二极管V1的正极与SiCMOSFET的栅极相连，第一二极管V1的负极与第二二极管V2负极相连，第二二极管V2正极与SiC MOSFET的源极相连。

双通道驱动电路的快速关断下电电路包括第五电阻R5和第三二级管V3；其中，第五电阻R5与第三二极管V3串联后与第一电阻R1并联，第三二极管V3正极连接于第一电阻R1与第二电阻R2之间、负极与第五电阻R5一端相连，第五电阻R5另一端与双通道驱动芯片Si2873AB的第一输出通道VOA相连。结合图1，在示例中，外部控制信号控制SiC MOSFET开通时，开关向CPLD输出高电平1，经过CPLD后，通道1控制输入信号为高电平1，通道2控制输入信号为低电平0；外部控制信号控制SiC MOSFET关断时，开关向CPLD输出低电平0，经过CPLD后，通道1控制输入信号为低电平0，通道2控制输入信号为高电平1。

双通道驱动芯片Si2873AB还具有外围电路，所述外围电路包括第一电容C1，第二电容C2，第三电容C3，第四电容C4，第六电阻R6；其中，双通道驱动芯片的供电输入VDDI通过第一电容C1接地滤波，第一输出通道的供电端VDDA通过第二电容C2接地滤波，第二输出通道的供电端VDDB通过第三电容C3接地滤波，双通道驱动芯片使能端通过第六电阻R6上拉至VDDI，并通过第四容C4接地滤波。

结合图3，示例中，VDDA和VDDB可由不同的电源供电、也可由单一电源供电，但需要有共同的参考地为GND，VDDI和芯片使能EN为3.3V供电，参考地为QGND。当控制电路输入SiCMOSFET开通信号时，通道1控制输入信号为高电平1，通道2控制输入信号为低电平0，此时电路VOA引脚输出的通道1驱动输出信号为Vo1，VOB引脚输出的通道2驱动输出信号为GND，因此SiC MOSFET栅极电势高于SiC MOSFET源极电势，SiC MOSFET栅源两极为正压，SiCMOSFET管开通；当控制电路输入SiC MOSFET关断信号时，通道1控制输入信号为低电平0，通道2控制输入信号为高电平1，此时电路VOA引脚输出的通道1驱动输出信号为GND，VOB引脚输出的通道2驱动输出信号为Vo2，因此SiC MOSFET栅极电势低于SiC MOSFET源极电势，SiCMOSFET栅源两极为负压，SiC MOSFET管关断。

实施例1

一种基于SiC MOSFET固态功率控制器的驱动电路

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于SiC MOSFET固态功率控制器的驱动电路，包括：控制电路和双通道驱动电路；

所述的控制电路，由开关及CPLD组成，接收外部通断指令通过CPLD逻辑运算来控制SiC MOSFET的驱动信号；

进一步的，开关用于接收外部开通/关断指令，该指令以数字信号1/0的形式输入CPLD中，CPLD根据开关的指令1/0进行逻辑运算，再与使能信号逻辑与后，一个直接输出到控制信号1，一个非逻辑后输出到控制信号2。当输出开通逻辑信号，使能信号也为1时，驱动芯片的通道1控制信号为1，通道2控制非逻辑后为0，栅源两极电压为正压；当输出关断逻辑信号，使能信号也为1时，驱动芯片的通道1控制信号为0，通道2控制非逻辑后为1，栅源两极电压为负压。

所述双通道驱动电路，由驱动输出电路和快速关断下电电路组成，在接收到控制电路的驱动信号后，输出SiC MOSFET正常开通/关断所用的驱动电压。

进一步的，双通道驱动电路的驱动输出电路包括第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第一二极管V1，第二二极管V2，双通道驱动芯片Si2873AB；其中第一电阻R1一端与双通道驱动芯片Si2873AB的第一输出通道VOA相连，另一端依次串联第二电阻R2、第三电阻R3，第四电阻R4，并由第四电阻R4与双通道驱动芯片Si2873AB的第二输出通道VOB相连；第三电阻R3的一端与SiC MOSFET的栅极相连，另一端与SiC MOSFET的源级相连；第一二极管V1的正极与SiC MOSFET的栅极相连，第一二极管V1的负极与第二二极管V2负极相连，第二二极管V2正极与SiC MOSFET的源极相连。

进一步的，双通道驱动电路的快速下电电路包括第五电阻R5和第三二级管V3；其中，第五电阻R5与第三二极管V3串联后与第一电阻R1并联，第三二极管V3正极连接于第一电阻R1与第二电阻R2之间、负极与第五电阻R5一端相连，第五电阻R5另一端与双通道驱动芯片Si2873AB的第一输出通道VOA相连。

进一步的，双通道驱动芯片Si2873AB还具有外围电路，所述外围电路包括芯片供电电路、芯片使能电路、驱动供电电路；

进一步的，所述芯片供电电路包括第一电容C1，双通道驱动芯片Si2873AB的供电输入VDDI通过第一电容C1接地滤波；

进一步的，所述芯片使能电路包括第四电容C4，第六电阻R6，双通道驱动芯片Si2873AB使能端通过第六电阻R6上拉至VDDI，并通过第四容C4接地滤波。

进一步的，所述驱动供电电路包括第二电容C2，第三电容C3，VOA的供电端VDDA通过第二电容C2接地滤波，VOB的供电端VDDB通过第三电容C3接地滤波。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。