一种提高SiCMOSFET开关性能的有源栅极驱动电路及应用

本发明涉及电力电子领域，具体是一种提高sic mosfet开关性能的有源栅极驱动电路及应用。

背景技术：

1、随着电力电子技术的快速发展，对器件的可靠性，效率要求逐渐升高。传统的硅基器件已经越来越接近其材料的内在极限。以碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(sicmosfet)为代表的新一代宽禁带功率电子器件已经在部分产业中得到应用。sic mosfet具有更快的开关速度，更低的导通电阻，尤其是在高压，高温环境下得到了更广泛的应用。但是，高开关速度和电路中的寄生参数会导致开关过程的电压和电流超调和振荡。这些不仅会给电路造成额外的损耗，还会再高压大电流工作环境下，提高超出模块极限的风险，对器件造成不可逆的损伤。因此，一个具有高可靠性的驱动电路至关重要。

技术实现思路

1、针对sic mosfet使用传统cgd时存在的一些缺陷，本发明提出了一种带复合保护的优化型有源栅极驱动电路，能够有效抑制开通关断过程中的电压电流的超调与振荡，并且能有效保护模块短路问题，不仅提高了可靠性，也提高了器件的安全性。

2、为了实现上述目的，本发明具体采用的技术方案如下：

3、一种提高sic mosfet开关性能的有源栅极驱动电路，包括：

4、从有源栅极电路的漏极引出的驱动电压调节闭环电路，在有源栅极电路上形成闭环搭建的栅极注入电路，以及由mosfet漏极引出的退饱和电路与基于源极的电流采集电路结合的保护电路。其中，所述的栅极注入电路从栅极引出一电压采集电路，设置两个比较器进行比较，当电压达到设定触发电压范围，与门接通，连接放大器，并入电阻，起到注入电阻的效果，以控制ig的大小，以达到调节电流超调的目的。所述的退饱和电路与基于源极的电流采集电路通过或门进行连接，以mosfet功率模块开通时的漏源电压为基础，设置分压二极管，使用一个小mosfet确保保护电路只在开通时工作，并且设置关断比较器的比较电压。

5、进一步地，所述的退饱和电路采用多个二极管与一个齐纳二极管设计，用于检测漏极电压；具体地，从mosfet漏极引出一路，串联多个二极管与一个可拆卸齐纳二极管，将此路与小mosfet并联并且接入低压电，mosfet给予与栅极驱动信号相反的pwm信号，保证在sic mosfet关断时，小mosfet处于开通状态，使得退饱和电路处于被屏蔽状态，当sicmosfet开通时，退饱和电路正常工作，并且当漏极电压小于串联二极管另一端电压时，检测端电压处于被二极管钳位的状态。

6、进一步地，所述的基于源极的电流采集电路通过电阻分压限幅，再通过低通滤波器，设置一个参考电压进行比较实现di/dt源极电流变化率检测；具体是从源极寄生电感后引出一路使用并联一个拉下电阻再串联两个分压电阻，使用一个y电容进行滤波，将两路保护用一个或门相连接；为了防止误触发，设置一个与栅极pwm同频的信号，与保护电路相与，保证在导通期间正常运作。

7、进一步地，还包括一闭环栅极电压控制电路，该闭环栅极电压控制电路从桥臂的漏极引出一由高压电容c与电阻r17串联组成的dv/dt采集电路，从采样的rc中间引出一路，与原本驱动电压进行并联，并接上并联电阻r18，然后与设定电压进行比较，反馈电压可以表示为：

8、

9、进一步地，闭环栅极电压控制电路工作时，包括如下步骤：

10、将反馈电压与设定值von进行比较，相应改变驱动电压；

11、将所得的驱动电压经过运算放大器ad549进行放大；

12、通过推挽电路输出。

13、本发明所述的一种提高sic mosfet开关性能的有源栅极驱动电路可替代驱动芯片驱动有源栅极电路工作，所述的有源栅极电路工作过程步骤具体包括：

14、t0～t1阶段，mosfet导通延时，栅极电压vg达到vcc；

15、t1～t2阶段，电流上升阶段，电流达到峰值id，但是由于对管续流二极管的反向特性，电流继续上升，此时电压到达从源极引出的开通闭环电路的比较器上下限设置点，并入开通电阻，减小门级电流，有效减小电流的超调量；

16、t2～t3阶段，漏源极电压开始下降；

17、t3～t4阶段，mosfet进入开通过程；

18、t5～t6阶段，mosfet关断延时，栅极电压vg变为vdd；

19、t6～t7阶段，电压开始上升，从漏极引出的关断闭环电路的电容采集到漏极电压的变化，生成相应的电压，产生两者差值经过放大器与设定值比较，自适应闭环调节vg；

20、t7～t8阶段，电流开始下降，vdc趋于稳定；

21、t8～t9阶段，mosfet进入关断阶段

22、本发明具有以下的特点和有益效果：

23、本发明不需要传统的控制器控制，可以完全实现闭环控制，实现内部自适应；采用上述技术方案，能够有效抑制sic mosfet开通关断过程中的电压电流超调与振荡，本发明相比于传统设计，最显著的改进是不需要传统的控制器控制，可以完全实现闭环控制，实现内部自适应。

技术特征：

1.一种提高sic mosfet开关性能的有源栅极驱动电路，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种提高sic mosfet开关性能的有源栅极驱动电路，其特征在于：所述的栅极注入电路从栅极引出一电压采集电路，设置两个比较器进行比较，当电压达到设定触发电压范围，与门接通，连接放大器，并入电阻，以控制ig的大小。

3.如权利要求1所述的一种提高sic mosfet开关性能的有源栅极驱动电路，其特征在于：所述的退饱和电路与基于源极的电流采集电路通过或门进行连接，以mosfet功率模块开通时的漏源电压为基础，设置分压二极管，使用一个小mosfet确保保护电路只在开通时工作，并且设置关断比较器的比较电压。

4.如权利要求3所述的一种提高sic mosfet开关性能的有源栅极驱动电路，其特征在于：所述的退饱和电路采用多个二极管与一个齐纳二极管设计，用于检测漏极电压；具体地，从mosfet漏极引出一路，串联多个二极管与一个可拆卸齐纳二极管，将此路与小mosfet并联并且接入低压电，mosfet给予与栅极驱动信号相反的pwm信号，保证在sic mosfet关断时，小mosfet处于开通状态，使得退饱和电路处于被屏蔽状态，当sic mosfet开通时，退饱和电路正常工作，并且当漏极电压小于串联二极管另一端电压时，检测端电压处于被二极管钳位的状态。

5.如权利要求1所述的一种提高sic mosfet开关性能的有源栅极驱动电路，其特征在于：所述的基于源极的电流采集电路通过电阻分压限幅，再通过低通滤波器，设置一个参考电压进行比较实现di/dt源极电流变化率检测；具体是从源极寄生电感后引出一路使用并联一个拉下电阻再串联两个分压电阻，使用一个y电容进行滤波，将两路保护用一个或门相连接；为了防止误触发，设置一个与栅极pwm同频的信号，与保护电路相与，保证在导通期间正常运作。

6.如权利要求1所述的一种提高sic mosfet开关性能的有源栅极驱动电路，其特征在于：还包括一闭环栅极电压控制电路，该闭环栅极电压控制电路从桥臂的漏极引出一由高压电容c与电阻r17串联组成的dv/dt采集电路，从采样的rc中间引出一路，与原本驱动电压进行并联，并接上并联电阻r18，然后与设定电压进行比较，反馈电压可以表示为：

7.如权利要求6所述的一种提高sic mosfet开关性能的有源栅极驱动电路，其特征在于：所述的闭环栅极电压控制电路工作时，包括如下步骤：

8.如权利要求1～7任一项所述的一种提高sic mosfet开关性能的有源栅极驱动电路的应用，其特征在于：可替代驱动芯片驱动有源栅极电路工作。

9.如权利要求8所述的一种提高sic mosfet开关性能的有源栅极驱动电路的应用，其特征在于：所述的有源栅极电路工作过程步骤具体包括：

技术总结本发明涉及电力电子领域，具体是一种提高SiC MOSFET开关性能的有源栅极驱动电路及应用，包括从有源栅极电路的漏极引出的驱动电压调节闭环电路，在有源栅极电路上形成闭环搭建的栅极注入电路，以及由MOSFET漏极引出的退饱和电路与基于源极的电流采集电路结合的保护电路。其中，栅极注入电路从栅极引出一电压采集电路，设置两个比较器进行比较，当电压达到设定触发电压范围，与门接通，连接放大器，并入电阻，起到注入电阻的效果，以控制ig的大小，以达到调节电流超调的目的。本发明的有源栅极驱动电路能够有效抑制开通关断过程中的电压电流的超调与振荡，并且能有效保护模块短路问题，不仅提高了可靠性，也提高了器件的安全性。技术研发人员：刘栋良,张烈斌,赵金洋,董旭辉受保护的技术使用者：杭州电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2