一种SiCMOSFET串扰抑制驱动电路

本发明涉及电力电子，具体涉及一种sic mosfet串扰抑制驱动电路。

背景技术：

1、近年来，随着新能源技术的蓬勃发展以及世界对电力电子产业需求的进一步增加，功率半导体器件作为电子产业链中最核心的一类器件，被广泛应用于光伏发电、新能源汽车、轨道交通以及工业电机等领域。功率半导体在电路模块中起功率转换、控制开关、整流逆变以及电路保护等关键作用，但是这些器件大多数是硅(si)基材料，目前这种材料已经到达了它各种参数上的理论极限。而与si基功率半导体相比，sic功率器件凭借其低功耗、宽禁带、高导热系数等特性，已经开始被多种应用层面所采用，以应对高开关频率和高功率等级所带来的效率和成本上的挑战。

2、尽管sic功率器件有着上述几种优点，但高开关速度也为其设计带来了一些新的问题，如对寄生参数敏感、开关振荡较大以及电磁兼容性等。其中sic功率半导体的串扰问题是最为致命的。

3、串扰现象主要发生在半桥式电路中，它是电力电子设备中的一种电路结构(如图1所示)，被广泛应用于各种电能转换装置中，这种电路将两个开关管串接，两边分别连接前级电源的正极与负极，两个开关受一对互补的pwm信号控制其开通关断以实现对电源的转换。当上管开通时，激增的电压变化率会在功率器件的寄生元件(寄生电容，寄生电感)上形成充电电流，电流传导至下管寄生电容上形成串扰电压信号抬高下管的门极电压，使得原本应当保持关断的下管因为上管的导通被迫导通，这就是串扰现象。一旦发生串扰现象，半桥电路将会上下管直通，这会造成前级直流电源短路以及功率器件的损坏，由于sic功率器件的高开关速度和低阈值电压使得sic器件的串扰问题比si基器件严重得多，因此近几年sic器件的串扰问题成为sic驱动电路的研究热点之一。

4、半桥电路中由两个开关管构成上桥臂和下桥臂，而为了防止出现桥臂直通问题，前级控制模块一般会同时给这两个开关管一对互补的pwm控制信号，使得上管导通时，下管一定是关断的，下管导通时上管一定是关断的。目前专用的半桥驱动芯片，例如infineon生产的irs2011与ti生产的lm2104等，都可以通过输入一个pwm信号，输出一对互补的自带死区的控制信号来控制一个半桥电路。但是这种芯片往往无法解决串扰问题，所以要在驱动芯片以外添加串扰抑制电路。

5、目前，传统的解决sic功率器件串扰问题的方案主要包括以下几点：

6、(1)降低栅极电阻的阻值或者在栅极源极之间加上一个辅助电容。然而降低驱动电阻通常受限于功率器件的应力以及电压变化率，参数选取不当甚至会引入更高的电压尖峰；增加辅助电容可以一定程度消除串扰，但是会大幅度降低器件的开关速度并且增加栅极寄生振荡。

7、(2)使用有源米勒钳位电路。这种电路的工作原理是在sic mosfet的栅极与源极之间增加一个米勒钳位电路，当检测到器件栅极受到的电压干扰大于设定的阈值时，钳位电路中的开关管导通，将位移电流引入放电回路中从而消除串扰。该方法目前被广泛使用，但有源钳位电路设计往往非常复杂，增加了设计成本。

8、(3)使用负压关断功率器件。该方法使用反向偏压关断sic功率器件，拉低驱动电压水平，使得sic功率器件就算受到串扰影响也不至于误导通。但该方案缺点在于将驱动电压拉低后不能及时恢复会导致负向串扰问题加剧，增加了sic功率器件损坏概率，并且该方法无法抑制负向串扰。

9、总而言之，现有的串扰抑制方案难以在抑制串扰的同时达到设计简单，副作用小的效果。

技术实现思路

1、为解决现有技术的上述问题，本发明提供一种sic mosfet串扰抑制驱动电路，旨在抑制光伏逆变器中上下桥臂之间相互的串扰电压，防止sic mosfet的误导通导致的器件损坏。技术方案如下：

2、一种sic mosfet串扰抑制驱动电路，包括半桥驱动芯片、半桥电路、上桥臂串扰抑制电路和下桥臂串扰抑制电路；

3、所述半桥电路包括由sic mosfet构成的上桥臂和下桥臂；

4、所述半桥驱动芯片用于输出一对互补的上桥臂pwm信号和下桥臂pwm信号；

5、所述上桥臂串扰抑制电路的输入为所述下桥臂pwm信号，输出连接到所述半桥电路的上桥臂的sic mosfet的栅极；所述下桥臂串扰抑制电路的输入为所述上桥臂pwm信号，输出连接到所述半桥电路的下桥臂的sic mosfet的栅极；每个串扰抑制电路均包括一个微分电路和一个开关管，所述微分电路将输入的pwm信号转换成尖峰脉冲，所述微分电路的输出为所述开关管的控制信号，所述开关管的两输出端分别连接到对应的sic mosfet的栅极和负电源，在所述开关管导通时，将sic mosfet的栅极电压拉低为负压。

6、进一步的，所述微分电路包括一个电容和一个电阻，所述微分电路的输入和所述电容的一端连接，所述微分电路的输出和所述电容的另一端及所述电阻的一端连接，所述电阻的另一端接地。

7、进一步的，所述串扰抑制电路还包括跨接在所述微分电路的输出端和信号地之间的负向电压抑制电路，用于对所述微分电路的输出的负向电压进行限幅。

8、进一步的，所述负向电压抑制电路包括一个第一二极管，所述第一二极管的阳极和所述微分电路的输出连接，所述第一二极管的阴极接地。

9、进一步的，所述串扰抑制电路还包括跨接在所述开关管两输出端的负向串扰抑制电路，用于对所述sic mosfet的栅极电压进行限幅。

10、进一步的，所述负向串扰抑制电路包括一个第二二极管，所述第二二极管的阳极和负电源连接。

11、进一步的，所述串扰抑制电路的开关管为三极管或mos管。

12、进一步的，所述负电源的电压为-20v。

13、进一步的，还包括两个推挽电路，设置于半桥驱动芯片和所述半桥电路之间，分别用于增强上桥臂pwm信号和下桥臂pwm信号的驱动能力。

14、本发明实现了如下技术效果：

15、(1)在串扰来临后快速地将sic mosfet驱动电压拉低，在sic mosfet要关断前将被拉低的驱动电压恢复至正常水平，从而解决sic功率器件关断时串扰加剧的问题。

16、(2)通过负压偏置解决现有串扰抑制电路中电压变化率/电压检测电路因为sicmosfet开通关断时的栅极振荡导致检测到错误的串扰信号问题。

技术特征：

1.一种sic mosfet串扰抑制驱动电路，其特征在于：包括半桥驱动芯片、半桥电路、上桥臂串扰抑制电路和下桥臂串扰抑制电路；

2.如权利要求1所述的sic mosfet串扰抑制驱动电路，其特征在于：所述微分电路包括一个电容和一个电阻，所述微分电路的输入和所述电容的一端连接，所述微分电路的输出和所述电容的另一端及所述电阻的一端连接，所述电阻的另一端接地。

3.如权利要求1所述的sic mosfet串扰抑制驱动电路，其特征在于：所述串扰抑制电路还包括跨接在所述微分电路的输出端和信号地之间的负向电压抑制电路，用于对所述微分电路的输出的负向电压进行限幅。

4.如权利要求3所述的sic mosfet串扰抑制驱动电路，其特征在于：所述负向电压抑制电路包括一个第一二极管，所述第一二极管的阳极和所述微分电路的输出连接，所述第一二极管的阴极接地。

5.如权利要求1所述的sic mosfet串扰抑制驱动电路，其特征在于：所述串扰抑制电路还包括跨接在所述开关管两输出端的负向串扰抑制电路，用于对所述sic mosfet的栅极电压进行限幅。

6.如权利要求5所述的sic mosfet串扰抑制驱动电路，其特征在于：所述负向串扰抑制电路包括一个第二二极管，所述第二二极管的阳极和负电源连接。

7.如权利要求1所述的sic mosfet串扰抑制驱动电路，其特征在于：所述串扰抑制电路的开关管为三极管或mos管。

8.如权利要求1所述的sic mosfet串扰抑制驱动电路，其特征在于：所述负电源的电压为-20v。

9.如权利要求1所述的sic mosfet串扰抑制驱动电路，其特征在于：还包括两个推挽电路，设置于半桥驱动芯片和所述半桥电路之间，分别用于增强上桥臂pwm信号和下桥臂pwm信号的驱动能力。

技术总结本发明公开了一种SiC MOSFET串扰抑制驱动电路，包括半桥驱动芯片、半桥电路和一对串扰抑制电路；其中，半桥电路包括由SiC MOSFET构成的上下桥臂；半桥驱动芯片输出一对互补的上桥臂PWM信号和下桥臂PWM信号；上桥臂串扰抑制电路的输入为下桥臂PWM信号，输出连接到上桥臂的SiC MOSFET的栅极；反之亦然；每个串扰抑制电路均包括一个微分电路和一个开关管，微分电路将输入的PWM信号转换成尖峰脉冲，作为开关管的控制信号，开关管的两输出端分别连接到SiC MOSFET的栅极和负电源，在导通时提供负压偏置。本电路解决了SiC功率器件关断时串扰加剧的问题，同时解决电压变化率/电压检测电路因为SiC功率器件开通关断时的栅极振荡导致检测到错误的串扰信号问题。技术研发人员：杨伟锋,翁宏锦,陈祖岗,袁嘉利,孙游成,石紫亮受保护的技术使用者：厦门大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29