一种SiC隔离驱动电路的制作方法

本发明涉及电力电子功率器件驱动，尤其是一种sic隔离驱动电路。

背景技术：

1、碳化硅功率器件具有耐压高、开关速度快和损耗较低等特点，现已应用于逆变器、变流器、电机驱动及高频电源等设备中。与普通硅功率器件相比，碳化硅功率器件的开关速度更快，对驱动电路的开关时序、隔离供电和故障保护提出了更高要求。

2、在半桥或全桥电路中，上桥臂功率器件和下桥臂功率器件分别由对应的驱动信号控制。为避免两个功率器件同时导通，通常需要设置互锁和死区时间。现有驱动电路中的互锁功能有的由控制器程序实现，当控制器异常、信号受到干扰或上下桥臂pwm信号出现重叠时，仍存在上下桥臂同时导通的可能。已有的一些硬件互锁电路能够对两路驱动信号进行限制，但互锁、延时和故障封锁一般分别设置，电路发生故障后，未必能够及时同时封锁两路驱动信号。

3、上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路处于不同的电位域，通常需要分别设置隔离电源。碳化硅功率器件导通时采用正向栅极电压，关断时常采用负向栅极电压，以减小干扰引起的误导通。现有方案中，上下桥臂的正、负驱动电源往往分别设置，使用的电源模块较多，电路连接也较为复杂。当驱动电源电压下降或驱动电源失效时，一些驱动电路不能及时作出响应，容易影响功率器件的关断状态。

4、现有驱动保护方式一般是先在功率侧检测短路、过流、过温或电源异常等故障，再将故障信号传送至控制侧，由控制器停止pwm输出。故障信号需要经过检测、隔离传输和控制处理，存在一定延时。对于短路耐受时间较短的碳化硅功率器件，若不能在故障发生后尽快停止正向栅极供能，功率器件仍可能维持导通。

5、有的驱动电路在保护动作时直接切断整个驱动供电，正向驱动和负向关断同时失效。这样虽然能够停止开通驱动，但也会失去栅极下拉和负压关断作用。在功率回路电压快速变化时，寄生电容产生的耦合电流可能使栅极电压升高，增加误导通的风险。

6、故障状态的反馈通常采用光耦等隔离器件。常见方式是在故障发生后由驱动侧主动向控制侧发送故障信号。当驱动侧电源完全消失、光耦损坏或反馈线路断开时，控制侧可能收不到故障信号，因而难以判断驱动侧是否正常。另有一些保护电路在故障信号消失后即恢复驱动，没有对故障状态进行锁存，也没有设置相应的复位条件，可能在故障尚未完全排除时重新输出驱动信号。

7、另外，碳化硅功率器件的栅极回路容易受到寄生参数影响。若开通和关断采用相同的栅极回路，开通速度和关断速度不便分别调整；栅极回路缺少阻尼、钳位或负压保持措施时，也容易出现栅极振荡、电压过冲和误导通。驱动电源全部失效后，若栅极与源极之间没有稳定的电位关系，栅极还可能处于悬空状态。

8、因此，现有碳化硅隔离驱动电路在上下桥臂互锁、隔离供电、故障就地关断、失电状态反馈及故障锁存复位等方面仍有改进空间。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种sic隔离驱动电路，以解决背景技术中提到的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种sic隔离驱动电路，其特征在于，控制侧硬件互锁电路、隔离供电电路、上桥臂驱动电路、下桥臂驱动电路和rs锁存器；

4、所述隔离供电电路具有相互电气隔离的第一隔离供电输出和第二隔离供电输出，并分别为上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路供电，每一隔离供电输出均具有正向驱动电源端、负向驱动电源端和参考电位端；

5、所述上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路均包括pwm隔离光耦、前级驱动单元、功率输出级、非对称rcd栅极驱动网络、正向供能切断开关、本地许可电路和故障反馈光耦；

6、两个pwm隔离光耦的输入侧分别与控制侧硬件互锁电路的两个驱动许可输出端连接，输出侧分别经对应的前级驱动单元和功率输出级与非对称rcd栅极驱动网络连接，所述非对称rcd栅极驱动网络与对应的栅极输出端连接；

7、所述正向供能切断开关串联于对应的正向驱动电源端与前级驱动单元的受控供电端之间，所述功率输出级与对应的负向驱动电源端连接，且其负向供电路径不经过正向供能切断开关；

8、所述本地许可电路的输出端分别与正向供能切断开关的控制端和故障反馈光耦的输入侧连接，两个故障反馈光耦的输出侧分别经对应的故障置位支路与rs锁存器的置位端连接，所述rs锁存器的q输出端与控制侧硬件互锁电路的封锁控制端连接。

9、优选地，所述控制侧硬件互锁电路包括第一偏置电阻、第二偏置电阻、第一施密特整形电路、第二施密特整形电路、第一单向延时电路和第二单向延时电路；

10、所述第一施密特整形电路和第二施密特整形电路均包括两个串联连接的施密特反相器；

11、上桥臂pwm输入端与第一施密特整形电路的输入端连接，并经第一偏置电阻与控制侧参考电位连接；下桥臂pwm输入端与第二施密特整形电路的输入端连接，并经第二偏置电阻与控制侧参考电位连接；

12、所述第一施密特整形电路经第一单向延时电路与上桥臂驱动许可输出端连接，所述第二施密特整形电路经第二单向延时电路与下桥臂驱动许可输出端连接。

13、优选地，所述第一单向延时电路和第二单向延时电路均包括延时电阻、延时电容、快恢复二极管和快速放电电阻；

14、所述延时电阻连接于对应的施密特整形电路的输出端与对应的驱动许可输出端之间，所述延时电容连接于对应的驱动许可输出端与控制侧参考电位之间；

15、所述快恢复二极管和快速放电电阻串联形成快速放电支路，所述快速放电支路与延时电阻并联，所述快恢复二极管的正向导通方向由对应的驱动许可输出端指向对应的施密特整形电路的输出端。

16、优选地，所述控制侧硬件互锁电路还包括第一交叉钳位n沟道mos管、第二交叉钳位n沟道mos管、第一封锁n沟道mos管和第二封锁n沟道mos管；

17、所述第一交叉钳位n沟道mos管的漏极与上桥臂驱动许可输出端连接，源极与控制侧参考电位连接，栅极与第二施密特整形电路的输出端连接；

18、所述第二交叉钳位n沟道mos管的漏极与下桥臂驱动许可输出端连接，源极与控制侧参考电位连接，栅极与第一施密特整形电路的输出端连接；

19、所述第一封锁n沟道mos管的漏极与上桥臂驱动许可输出端连接，所述第二封锁n沟道mos管的漏极与下桥臂驱动许可输出端连接，所述第一封锁n沟道mos管和第二封锁n沟道mos管的源极均与控制侧参考电位连接，栅极相互连接并形成所述封锁控制端。

20、优选地，所述隔离供电电路包括振荡驱动器、半桥功率开关电路、隔离变压器、第一整流供电电路和第二整流供电电路，所述半桥功率开关电路包括第一原边功率开关器件和第二原边功率开关器件；

21、所述振荡驱动器的两个互补输出端分别与第一原边功率开关器件和第二原边功率开关器件的控制端连接，所述半桥功率开关电路的输出端与隔离变压器的原边绕组连接；

22、所述第一整流供电电路与隔离变压器的第一副边绕组连接并形成第一隔离供电输出，所述第二整流供电电路与隔离变压器的第二副边绕组连接并形成第二隔离供电输出，所述第一副边绕组与第二副边绕组相互绝缘；

23、所述第一副边绕组和第二副边绕组均包括第一绕组端、第二绕组端和中间抽头，所述中间抽头与对应的参考电位端连接；

24、所述第一整流供电电路和第二整流供电电路均包括正向整流二极管、负向整流二极管、正向滤波电容、负向滤波电容、正向稳压器件和负向稳压器件；

25、所述正向整流二极管的阳极与对应副边绕组的第一绕组端连接，阴极与正向驱动电源端连接；所述负向整流二极管的阴极与对应副边绕组的第二绕组端连接，阳极与负向驱动电源端连接；

26、所述正向滤波电容和正向稳压器件分别连接于正向驱动电源端与参考电位端之间，所述负向滤波电容和负向稳压器件分别连接于参考电位端与负向驱动电源端之间。

27、优选地，所述前级驱动单元包括电平转换电路、前级放大电路和前级驱动支路，所述前级驱动支路具有所述受控供电端，并包括第一前级mos管、第二前级mos管和偏置网络，所述功率输出级包括上拉mos管和下拉mos管；

28、所述pwm隔离光耦的输出侧、电平转换电路和前级放大电路依次连接，所述前级放大电路的第一输出端和第二输出端分别与第一前级mos管和第二前级mos管的栅极连接；

29、所述正向供能切断开关的输出端与所述受控供电端连接，所述第一前级mos管、第二前级mos管及偏置网络与上拉mos管和下拉mos管的栅极连接；

30、所述上拉mos管的正向供电端与正向驱动电源端连接，所述下拉mos管的负向供电端与负向驱动电源端连接；

31、所述上拉mos管的输出端经输出驱动电阻与非对称rcd栅极驱动网络的输入节点连接，所述下拉mos管的输出端与所述输入节点连接。

32、优选地，所述非对称rcd栅极驱动网络包括第一中间节点、第二中间节点、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第一调节电阻和第二调节电阻；

33、所述第一二极管和第一电容并联连接于所述输入节点与第一中间节点之间，所述第二二极管和第一调节电阻并联连接于第一中间节点与栅极输出端之间；

34、所述第三二极管和第二电容并联连接于所述输入节点与第二中间节点之间，所述第四二极管和第二调节电阻并联连接于第二中间节点与栅极输出端之间；

35、所述第一二极管的正向导通方向由所述输入节点指向第一中间节点，所述第二二极管的正向导通方向由第一中间节点指向栅极输出端，所述第四二极管的正向导通方向由栅极输出端指向第二中间节点，所述第三二极管的正向导通方向由第二中间节点指向所述输入节点。

36、优选地，所述上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路均还包括源极参考端，所述非对称rcd栅极驱动网络还包括第一输出偏置电阻和第二输出偏置电阻；

37、所述第一输出偏置电阻连接于正向驱动电源端与栅极输出端之间，所述第二输出偏置电阻连接于栅极输出端与负向驱动电源端之间；

38、所述栅极输出端和源极参考端分别用于与sic功率器件的栅极和源极连接，所述源极参考端与对应隔离供电输出的参考电位端连接。

39、优选地，所述上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路均还包括电源状态检测电路和本地故障输入端，所述本地故障输入端为高电平有效的故障输入端；

40、所述电源状态检测电路包括电阻分压电路、基准电压电路、比较器和许可上拉电阻，所述电阻分压电路连接于正向驱动电源端与对应隔离供电输出的参考电位端之间，其分压输出端与比较器的同相输入端连接，所述基准电压电路的基准电压输出端与比较器的反相输入端连接；

41、所述比较器为开集电极输出型比较器，其输出端经许可上拉电阻与正向驱动电源端连接；

42、所述本地许可电路包括反相器和与门，所述本地故障输入端经反相器与与门的第一输入端连接，所述比较器的输出端与与门的第二输入端连接，所述与门的输出端形成本地许可电路的输出端；

43、所述故障反馈光耦的输入侧包括发光二极管和限流电阻，所述发光二极管的阳极经限流电阻与与门的输出端连接，阴极与对应隔离供电输出的参考电位端连接。

44、优选地，所述正向供能切断开关包括p沟道mos管、n沟道mos管和截止偏置电阻；

45、所述p沟道mos管的源极与正向驱动电源端连接，漏极与前级驱动单元的受控供电端连接，所述截止偏置电阻连接于p沟道mos管的栅极与源极之间；

46、所述n沟道mos管的漏极与p沟道mos管的栅极连接，源极与对应隔离供电输出的参考电位端连接，栅极与与门的输出端连接；

47、每一故障反馈光耦的输出侧均具有集电极端和发射极端，各发射极端分别与控制侧参考电位连接，各集电极端分别经对应的上拉电阻与控制侧电源连接；

48、两个所述故障置位支路分别包括第一故障置位二极管和第二故障置位二极管，所述第一故障置位二极管和第二故障置位二极管的阳极分别与两个故障反馈光耦输出侧的集电极端连接，阴极均与rs锁存器的置位端连接，所述置位端经置位下拉电阻与控制侧参考电位连接；

49、所述rs锁存器为置位优先型rs锁存器，其置位端和复位端均为高电平有效；

50、所述sic隔离驱动电路还包括第一故障状态反相器、第二故障状态反相器、四输入与门、复位脉冲输入端和控制侧电源正常信号输入端，两个故障反馈光耦输出侧的集电极端分别与第一故障状态反相器和第二故障状态反相器的输入端连接；

51、所述四输入与门的四个输入端分别与复位脉冲输入端、控制侧电源正常信号输入端、第一故障状态反相器的输出端和第二故障状态反相器的输出端连接，所述四输入与门的输出端与rs锁存器的复位端连接。

52、本发明公开一种sic隔离驱动电路具有以下有益效果。

53、本发明将正向供能切断开关设置在正向驱动电源端与前级驱动支路的供电端之间。当发生本地故障或驱动电源欠压时，本地许可电路控制正向供能切断开关断开，使前级驱动支路失去正向供电，上拉mos管不再获得开通驱动，从而停止向sic功率器件栅极提供正向能量；与此同时，下拉mos管及其与负向驱动电源端之间的关断路径不经过所述正向供能切断开关，仍可完成栅极电荷释放并维持负压关断，有利于降低米勒耦合引起的误导通风险。

54、本发明的控制侧硬件互锁电路通过设置单向延时电路实现延迟开通、快速关断的死区时间生成机制，并配合交叉钳位n沟道mos管构成硬件级交叉互锁。当上桥臂和下桥臂的pwm输入信号同时为高电平时，交叉钳位n沟道mos管将对应的驱动许可输出端钳位至控制侧参考电位，从而在硬件层面阻止上下桥臂同时获得开通信号，有效杜绝了半桥直通短路故障，降低了对软件控制时序的依赖，系统可靠性高。

55、本发明在任一桥臂驱动电路出现异常时，由本地许可电路先撤销对应前级驱动支路的正向供能，实现功率侧快速自保；同时，故障反馈光耦以正常时导通、异常时释放的方式将故障状态隔离反馈至控制侧，故障置位二极管使rs锁存器置位，rs锁存器的q输出端再驱动封锁n沟道mos管导通，在控制侧同时封锁上下桥臂的驱动许可输出端，从而形成“驱动侧先撤销开通驱动、控制侧再锁存封锁”的两级保护。

56、本发明的复位门控电路采用四输入与门，将复位脉冲、控制侧电源正常信号以及经故障状态反相器处理后的上下桥臂复位许可状态信号进行逻辑与运算。只有在控制侧电源正常、驱动侧供电完全恢复且所有本地故障彻底消除后，rs锁存器才允许被复位，有效避免了在电源波动或故障未清除期间的误复位操作，防止功率器件在异常状态下反复受冲击而损坏。

57、本发明采用非对称rcd栅极驱动网络，在功率输出节点与sic功率器件的栅极输出端之间设置两组导向相反的二极管、电容和调节电阻支路，使栅极充电、栅极放电及高频瞬态吸收具有不同的等效通路；配合连接于正向驱动电源端与栅极输出端之间的第一输出偏置电阻以及连接于栅极输出端与负向驱动电源端之间的第二输出偏置电阻，可在兼顾开关速度的同时抑制栅极振荡和电压过冲，并提高负压关断状态的稳定性。