一种基于负载电流反馈的HyS多驱动参数自主调控驱动电路

本发明涉及半导体，具体涉及一种基于负载电流反馈的hys多驱动参数自主调控驱动电路。

背景技术：

1、近些年来，宽禁带半导体器件sic mosfet由于其高开关频率、低开关损耗以及耐高温等特性，而被广泛应用于电力电子装置中。但由于sic制造工艺的限制，sic mosfet目前依旧存在高劣品率、高成本等劣势。常规的si igbt虽然具有低导通损耗、低成本等优势，但其高开关损耗的劣势限制了其在高效、高功率密度等领域的应用。基于此，为结合sicmosfet和si igbt的优势，由小电流等级sic mosfet和大电流等级si igbt并联组成的sic/si混合器件(sic/si hys)被提出来，sic/si hys可以通过内部器件的异步开关，使其具有高效、低成本等优势，近些年来成为国内外学者的研究热点。

2、不同于单一器件，hys由于其内部器件异步开关的特性，导致hys损耗、可靠性等性能也必然受到内部器件的开关时刻(开关时序)、驱动电压等多因素的影响。但是目前hys的研究仅仅关注于开关时序这一单一驱动参数。有文献中提出了一种基于负载电流动态调节固定开关时序中关断延时时间的开关策略。但是该开关策略中，hys开关过程的负载电流由小电流等级sic mosfet独自承担，hys存在过流失效风险。基于此，有学者提出了一种根据负载电流大小采用不同开关时序运行的hys开关模式。但是这种开关模式仅仅考虑了开关时序的调节，驱动电压的忽视导致hys的效率被牺牲。综上所述，通过开关时序这一单一驱动参数难以兼顾hys高效与高可靠性的性能。因此，hys亟需挖掘新的驱动参数(驱动电压)，并研究多驱动参数协同调控策略对hys性能进行综合优化。

3、同时，驱动电路设计是实现上述开关策略的重要途径。有学者提出了一种基于rc延时电路的sic/si hys驱动电路以实现sic/si hys的异步开关。但是该驱动电路采用两个驱动芯片分别对sic mosfet和igbt进行控制，增加了驱动电路成本和功率密度。为简化hys驱动电路，还有学者提出了一种采用单个驱动芯片的sic/si hys集成驱动电路。该驱动电路采用辅助mosfet实现了hys中sic mosfet和igbt的独立控制，但是它仅能实现一种开关时序。为了实现hys驱动电路具有多开关时序的功能，另外有学者采用单个芯片和多个辅助mosfet器件、rc延时电路连接的方式，设计了一种能实现多种开关时序的sic/si hys集成驱动电路。但是该驱动电路需要手动更换辅助元器件来实现开关时序的切换，且不能根据hys运行的实时工况进行主动调节。

4、综上所述，现有hys驱动电路存在驱动参数单一和自主调控能力缺乏等不足。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于负载电流反馈的hys多驱动参数自主调控驱动电路，用以至少解决现有技术中的hys驱动电路存在驱动参数单一和自主调控能力缺乏的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于负载电流反馈的hys多驱动参数自主调控驱动电路，与混合器件hys相连，hys包括igbt和sic mosfet，包括：负载电流判断电路、pwm延时电路、开关时序切换电路和驱动电压切换电路；

4、负载电流判断电路分别与hys、开关切换电路和驱动电压切换电路相连，用于对hys进行采样，获得负载电流il，根据参考电流与负载电流il之间的大小关系进行逻辑判断，生成控制驱动电压切换的三极管开关信号，其中，参考电流分别为±i1和±i2，i1为第一负载电流边界值，i2为第二负载电流边界值，三极管开关信号包括控制igbt驱动电压切换的开关信号vt_igbt和控制sic mosfet驱动电压切换的开关信号vt_mos；

5、pwm延时电路分别与开关时序切换电路相连，用于对pwm信号进行调制，分别生成pwm1信号和pwm2信号，其中，pwm1信号实现hys中igbt的先开后关，pwm2信号实现hys中igbt的后开先关；

6、开关时序切换电路还分别与负载电流判断电路和驱动电压切换电路相连，用于将vt_igbt作为时序切换的判断信号，根据vt_igbt的值分别从pwm1信号和pwm2信号中选择一种控制信号作为igbt的时序控制信号vpwm_mos和sic mosfet的时序控制信号vpwm_igbt；

7、驱动电压切换电路用于根据vt_igbt和vt_mos来分别获取igbt和sic mosfet的驱动电压vg_igbt和vg_mos输出至hys，并通过vpwm_mos和vpwm_igbt控制hys的开关时序。

8、优选的，i1通过+20v/-5v驱动电压下sic/sihys混合开关下sicmosfet的过冲电流峰值与最大脉冲电流计算所得，i2通过+15v/-5v驱动电压下sic/si hys混合开关下sicmosfet的过冲电流峰值与最大脉冲电流计算所得。

9、优选的，负载电流判断电路包括负载电流采样单元、负载电流比较单元和开关信号生成单元；

10、负载电流采样单元包括电流传感器与采样电阻rsam，用于获取il；

11、负载电流比较单元包括4个比较器，通过4个比较器分别对il与4个参考电流信号进行比较，生成相应的高低电平信号，其中，第一比较器在il<i2时的输出信号v1为高电平；第二比较器在il>i1时的输出信号v2为高电平；第三比较器在il<-i1时的输出信号v3为高电平；第四比较器在il>-i2时的输出信号v4为高电平；

12、开关信号生成环节包括3个与门和1个或门，通过对各个比较器的输出信号进行逻辑运算，生成控制驱动电压切换的开关信号vigbt_t和vmos_t，其中，vigbt_t由v1和v4经与门生成，vigbt_t＝v1∩v4，当-i2<il<i2时，vigbt_t为高电平；vmos_t由v1、v2、v3和v4经与门和或门生成，vmos_t＝(v1∩v2)∪(v3∩v4)，当i1<il<i2或-i2<il<-i1时，vmos_t为高电平。

13、优选的，pwm延时电路包括第一延时电路和第二延时电路；

14、第一延时电路通过对pwm信号进行整体延时toff_d产生pwm1信号，第二延时电路通过对pwm信号的上升沿延时ton_d+toff_d且下降沿不延时产生pwm2信号，其中ton_d和toff_d分别为开通延迟时间与关断延迟时间。

15、优选的，第一延时电路包括电阻r1、电容c1和比较器u1；第二延时电路包括电阻r2、二极管d1、电容c2和比较器u2；

16、r1和c1均与u1的正输入端相连，r2的两端分别连接于d1的正负极，d1的正极和r2的公共端分别连接c2和u2的正输入端；d1的负极和r2的公共端分别连接r1和pwm生成单元，电源通过电阻r3向pwm生成单元提供供电vcc；u1和u2的负输入端分别输入参考电压vref1和参考电压vref2；

17、在第一延时电路中，当pwm信号由低电平转换为高电平时，vcc通过r3和r1给c1充电，c1的电压vc1开始上升，当vc1比vref1高时，u1输出由低电平转换为高电平；因此，相较pwm信号的高电平信号，pwm1的高电平信号延迟时间为ton1：

18、

19、当pwm由高电平转换为低电平时，-vee通过r1给c1放电，c1的电压vc1开始下降；当vc2比vref2低时，u2输出由高电平转换为低电平；因此，相较pwm的低电平信号，pwm2的低电平信号延迟时间为toff2：

20、

21、在第二延时电路中，当pwm由低电平转换为高电平时，vcc通过电阻r3、r2给电容c2充电，c2的电压vc2开始上升；当vc2比参考电压vref2高时，比较器u2输出由低电平转换为高电平；因此，相较pwm的高电平信号，pwm2的高电平信号延迟时间为ton2：

22、

23、当pwm由高电平转换为低电平时，-vee通过二极管d1给电容c2放电，电容c2的电压vc2开始下降；当vc2比参考电压vref2低时，比较器u2输出由高电平转换为低电平；因此，相较pwm的低电平信号，pwm2的低电平信号延迟时间为toff2：

24、

25、其中toff2近似为0；

26、则开通延迟时间ton_d和关断延迟时间toff_d分别为：

27、

28、

29、优选的，开关时序切换电路包括非门、或门和与门；

30、非门的输入端获取vt_igbt作为va，vt_igbt经过非门后通过输出端输出vb；

31、或门包括第一或门和第二或门，其中，第一或门的输入端分别连接第一与门和第二与门的输出端，第一与门的输入端获取va和pwm1，第二与门的输入端获取vb和pwm2，第二或门的输入端分别连接第三与门和第四与门的输出端，第三与门的输入端获取vb和pwm1，第四与门的输入端获取va和pwm2，第一或门和第二或门的输出端分别为vpwm_mos和vpwm_igbt并连接驱动电压切换电路的输入端。

32、优选的，在开关时序切换电路中：

33、当-i2＜il＜i2时，vb为高电平，vpwm_mos为pwm1；

34、当il≥i2或il≤-i2时，va为高电平，vpwm_mos为pwm2；

35、当-i2＜il＜i2时，va为高电平，vpwm_mos为pwm2；

36、当il≥i2或il≤-i2时，vb为高电平，vpwm_mos为pwm1。

37、优选的，驱动电压切换电路包括驱动芯片、三极管、稳压二极管、稳压电容和耦合电容；

38、驱动芯片的两个输入端in1和in2分别连接开关时序切换电路的输出端；

39、三极管包括npn型三极管t1和t4，以及pnp型三极管t2和t3，稳压电容包括c3和c4，稳压二极管包括d2和d3，耦合电容包括c5和c6；

40、t1和t2的基极均用于获取vt_mos，t3和t4的基极均用于获取vt_igbt，且t1和t2的发射极相连并连接于驱动芯片的电压输入端v1，t3和t4的发射极相连并连接于驱动芯片的电压输入端v2，t1和t3的集电极分别经过c3和c4连接于20v驱动电源，d2和d3分别对应设置于c3和c4的两端，t2和t4的集电极直接连接于20v驱动电源，c5和c6的一端分别对应连接于v1和v2，另一端均接地；

41、驱动芯片的两个输出端o1和o2分别输出驱动电压vg_mos和vg_igbt。

42、优选的，在驱动电压切换电路中：

43、当i1≤il<i2或-i2<il≤-i1时，vmos_t输出为高电平，此时控制sicmosfet驱动电压的pnp型三极管t1开通，d2和c3实现恒定5v电压的降低，进而实现hys中sicmosfet的+15v驱动电压；

44、当-i1<il<i1或i2≤il或-i2≤il时，vmos_t输出为低电平，此时控制sicmosfet驱动电压的npn型三极管t2开通，进而实现hys中sicmosfet的+20v驱动电压；

45、当i2≤il或-i2≥il时，vigbt_t输出为低电平，此时控制igbt驱动电压的pnp型三极管t3开通，d3和c4实现恒定5v电压的降低，进而实现hys中igbt的+15v驱动电压；

46、当-i2<il<i2时，vigbt_t输出为高电平，此时控制igbt驱动电压的npn型三极管t4开通，进而实现hys中igbt的+20v驱动电压。

47、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于负载电流反馈的hys多驱动参数自主调控驱动电路，具有以下有益效果：

48、本发明所公开的驱动电路采用全硬件的方式实现了根据负载电流水平自主调控hys的开关时序与驱动电压，既能提高hys的调控能力，又能进一步降低驱动电路的成本，兼顾hys效率与可靠性。