驱动电压和电阻可调的SiCMOSFET驱动控制电路的制作方法

驱动电压和电阻可调的sic mosfet驱动控制电路
技术领域
1.本发明涉及sic mosfet驱动控制技术领域，尤其涉及一种驱动电压和电阻可调的sic mosfet驱动控制电路。


背景技术：

2.随着电力电子技术的高速发展，sic mosfet器件应运而生。其具有开关速度高、损耗低、使用频率高等特点，在电力电子变换器技术领域具有广泛的应用。
3.目前，现有sic mosfet器件的源漏极输出电压/电流变化率较高，在开关速度低时寄生参数将对其性能产生明显影响，串扰问题严重，关断过电压及振荡严重，开关频率受到限制。
4.针对上述问题，现有技术主要有两种改善途径：一是增加栅极电阻，二是增加栅极电压。但是，第一种途径增加的栅极电阻越大，sic mosfet器件的开关速度越慢，损耗明显增加，即牺牲了器件可工作的最高开关频率。第二种途径增加的栅极电压vg正电压越高，栅源电压越快达到阈值电压，sic mosfet器件的开通速度越快，vg负电压越低，sic mosfet器件的关断速度越快，但是，会带来振荡和串扰的问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种驱动电压和电阻可调的sic mosfet驱动控制电路，用以解决现有技术难以同时保证高增益、结构简单、高稳定性、高效率的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种驱动电压和电阻可调的sic mosfet驱动控制电路，包括控制芯片、sic mosfet器件、电源v
g1
～v
g2
、开关管s1～s6，电阻r
g1
～r
g2
；其中，电阻值r
g1
＜r
g2
，电源电压v
g1
＞v
g2
；
7.控制芯片，用于输出开关管s1～s6控制信号至开关管s1～s6的栅极；
8.开关管s1、s2的漏极分别与电源v
g1
的正极连接；开关管s3～s5的漏极分别与电源v
g1
的负极、电源v
g2
的负极连接，并接地；开关管s6的漏极与电源v
g2
的正极连接；并且，
9.开关管s1、s3的源极分别经电阻r
g1
与sic mosfet器件的栅极连接，开关管s2、s4的源极分别经电阻r
g2
与sic mosfet器件的栅极连接；开关管s5、s6的源极与sic mosfet器件的源极连接。
10.上述技术方案的有益效果如下：利用开关电容技术结合传统的耦合电感，可实现较高的电压增益，结构简单。通过对开关管s1～s6通断时序控制，实现在一个开关周期内，sic mosfet器件能够发挥高开关速度、低损耗的优势，同时避免振荡、串扰等危害，增强其高效率、可靠运行的能力。且各个开关管的应力较低，远低于输出电压。为了保证sic mosfet器件高开关速度、低损耗，同时避免振荡、串扰等危害，驱动电压(电源v
g1
～v
g2
)和驱动电阻(电阻r
g1
～r
g2
)等参数在开关过程中应根据需求进行合适调整。
11.基于上述电路的进一步改进，sic mosfet驱动控制电路还包括电阻rg、电容c
gd
、cgs
、c
ds
，二极管d1；其中，
12.电阻r
g1
、r
g2
分别经电阻rg与sic mosfet器件的栅极连接；
13.sic mosfet器件的栅极还经电容c
gd
与其漏极连接，并经电容c
gs
与其源极连接；sic mosfet器件的源漏极之间接并联的电容c
ds
、二极管d1。
14.上述进一步改进方案的有益效果是：电容c
gd
、c
gs
、c
ds
、二极管d1均用于保护sic mosfet器件。上述改进，能够提高后续参数设计和控制信号时序的准确性。
15.进一步，控制芯片输出的开关管s1～s6控制信号均为矩形波控制信号；并且，
16.在sic mosfet器件的一个开关周期内，开关管s1～s4控制信号的波形互补，使得s1～s4依次启动；开关管s5控制信号为s1、s4控制信号的叠加，开关管s6控制信号为s2、s3控制信号的叠加。
17.上述进一步改进方案的有益效果是：通过对开关管s1～s6有序的导通与关断，使sic mosfet器件的4个工作模态有序且稳定。
18.进一步，所述控制芯片执行如下程序：
19.根据sic mosfet器件的栅源极安全电压(v-，v

)，确定电源v
g1
、v
g2
幅值范围，推荐给用户，供其选择合适的电源v
g1
、v
g2
；其中，电源v
g1
、v
g2
的幅值v
g1
、v
g2
满足下面关系
[0020]v -v
预设
≤v
g1
≤v

[0021]
|v-|-v
预设
≤v
g2
≤|v-|
[0022]
式中，v
预设
为用户选定的预设值，| |为取绝对值运算符；
[0023]
根据选定的电源v
g1
、v
g2
，结合sic mosfet器件的米勒电压v
miller
、电容c
gd
、电阻rg，确定电阻r
g1
、r
g2
阻值，推荐给用户，供其选择合适的电阻r
g1
、r
g2
；
[0024]
根据上述选定的电源v
g1
、v
g2
、电阻r
g1
、r
g2
，结合sic mosfet器件的工作占空比d、工作频率f，确定开关管s1～s4控制信号各自的通态时间与断态时间；断态时间＝1/f-通态时间；
[0025]
根据获得的开关管s1～s4控制信号，依据开关管s5控制信号为s1、s4控制信号的叠加、开关管s6控制信号为s2、s3控制信号的叠加原则，确定开关管s5、s6控制信号；
[0026]
输出上述开关管s1～s6控制信号。
[0027]
上述进一步改进方案的有益效果是：选定sic mosfet器件后，控制芯片自动给出合适的电源v
g1
、v
g2
范围、电阻r
g1
、r
g2
阻值、s1～s6控制信号各自的通态时间与断态时间，实现四种模态的匹配设计。
[0028]
进一步，所述控制芯片通过下面公式确定开关管s1～s4控制信号各自的通态时间τ1～τ4[0029][0030][0031]
[0032][0033]
其中
[0034][0035][0036][0037]
式中，v
th
为sic mosfet器件的阈值开通电压，g
fs
为sic mosfet器件的跨导，ls是sic mosfet器件的源极寄生电感，r
g1
、r
g2
、rg分别为r
g1
、r
g2
、rg的电阻值，c
gd
、c
gs
、c
ds
分别为c
gd
、c
gs
、c
ds
电容值，d为sic mosfet器件的工作占空比，f为sic mosfet器件的工作频率。
[0038]
上述进一步改进方案的有益效果是：实现对开关管s1～s4控制信号脉冲宽度(通态时间)的准确设计，保证sic mosfet实现四种模态。
[0039]
进一步，所述控制芯片通过下面公式确定电阻r
g1
的电阻值r
g1
[0040][0041]
其中
[0042][0043][0044]
式中，l
pa
为线路中的寄生电感，r
pa
为线路中的寄生电阻，l、w、h分别为布设sic mosfet驱动控制电路的pcb电路板上导线的长度、宽度和厚度，ρ为所述导线的电导率，v
bus
为负载额定输出电压。
[0045]
上述进一步改进方案的有益效果是：实现对驱动电阻r
g1
的精确设计，有利于提高驱动电路的开关速度和工作效率，直接应用能够大幅度缩减设计时间和设计成本。
[0046]
进一步，所述控制芯片通过下面公式确定电阻r
g2
的电阻值r
g2
[0047][0048]
式中，v
miller
为sic mosfet器件的米勒电压，c
gd
为电容c
gd
的电容值，rg为电阻rg阻值。
[0049]
上述进一步改进方案的有益效果是：实现对驱动电阻r
g2
的精确设计，有利于提高驱动电路的开关速度和工作效率，直接应用能够大幅度缩减设计时间和设计成本。
[0050]
进一步，该sic mosfet驱动控制电路还包括二极管d2、电感l；其中，
[0051]
sic mosfet器件的漏极经并联的二极管d2、电感l与负载正向输入端连接，其源极与负载负向输入端直接连接。
[0052]
上述进一步改进方案的有益效果是：为sic mosfet器件构建功率输出回路，使sic mosfet器件的输出电压或电流振荡尖峰得到抑制，保证电路功率安全输出。
[0053]
进一步，所述控制芯片还执行如下程序：
[0054]
根据用户需求的输出电流幅值io，结合sic mosfet器件的工作占空比d、工作频率f，确定所述l的电感值，将其推荐给用户，供其选择合适的电感l。
[0055]
上述进一步改进方案的有益效果是：对功率电感l的预设规则进行了限定，直接应用能够大幅度缩减设计时间和设计成本。
[0056]
进一步，所述控制芯片通过下面公式确定所述l的电感值
[0057][0058]
式中，d为sic mosfet器件的工作占空比，f为sic mosfet器件的工作频率，io为预设输出电流幅值，v
bus
为负载额定输出电压。
[0059]
上述进一步改进方案的有益效果是：实现对电感l的精确设计，保证sic mosfet驱动控制电路具有所设定的功率输出能力，直接应用能够大幅度缩减设计时间和设计成本。
[0060]
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0061]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0062]
图1为本发明实施例1驱动电压和电阻可调的sic mosfet驱动控制电路结构示意图；
[0063]
图2为本发明实施例1工作时的电压电流波形图；
[0064]
图3为本发明实施例2 sic mosfet驱动控制电路主要波形图；
[0065]
图4为本发明实施例2 sic mosfet驱动控制电路改进结构示意图；
[0066]
图5为本发明实施例2 sic mosfet驱动控制电路改进结构原理图。
具体实施方式
[0067]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0068]
实施例1
[0069]
本发明的一个具体实施例，公开了一种驱动电压和电阻可调的sic mosfet驱动控制电路，如图1所示，包括控制芯片、sic mosfet器件、电源v
g1
～v
g2
、开关管s1～s6，电阻r
g1
～r
g2
。电阻值r
g1
＜r
g2
，电源电压v
g1
＞v
g2
。
[0070]
其中，控制芯片，用于输出开关管s1～s6控制信号至开关管s1～s6的栅极；开关管s1、s2的漏极分别与电源v
g1
的正极连接；开关管s3～s5的漏极分别与电源v
g1
的负极、电源v
g2
的负极连接，并接地；开关管s6的漏极与电源v
g2
的正极连接；并且，开关管s1、s3的源极分别经电阻r
g1
与sic mosfet器件的栅极连接，开关管s2、s4的源极分别经电阻r
g2
与sic mosfet器件的栅极连接；开关管s5、s6的源极与sic mosfet器件的源极连接。
[0071]
sic mosfet器件的漏极连接外接负载输出端正极，源极连接负载输出端正极，负载额定电压v
bus
。
[0072]
实施时，图2给出了该sic mosfet驱动控制电路的主要波形。在波形中，最上面四个波形分别是开关管s1～s4的驱动信号，四者波形互补。电阻r
g1
和r
g2
为驱动电路中的驱动电阻，其阻值越大，则抑制sic mosfet器件的电压电流振荡的效果越好，但是其工作效率和开关速度会随之下降，而其阻值越小，虽然其工作效率和开关速度性能越好，但是sic mosfet器件在开开关过程中的振荡会越明显，因此驱动电阻值不应过大也不应过小。
[0073]
与现有技术相比，本实施例提供的驱动电压和驱动电阻可调整的sic mosfet驱动电路，在sic mosfet器件的一个工作周期内，sic mosfet器件的驱动电阻与驱动电压在预设时段进行调整变化，从而使得sic mosfet器件具有快速开通关断和高效率运行的能力，发挥sic mosfet器件高频高效的优势，同时能够有效抑制sic mosfet器件在开通关断过程中的电压电流振荡，减小二者的瞬态尖峰，保证sic mosfet器件的安全可靠运行。
[0074]
实施例2
[0075]
在实施例1的基础上进行优化，该sic mosfet驱动控制电路还包括电阻rg、电容c
gd
、c
gs
、c
ds
，二极管d1，如图3所示。
[0076]
其中，电阻r
g1
、r
g2
分别经电阻rg与sic mosfet器件的栅极连接；sic mosfet器件的栅极还经电容c
gd
与其漏极连接，并经电容c
gs
与其源极连接；sic mosfet器件的源漏极之间接并联的电容c
ds
、二极管d1。
[0077]
优选地，该sic mosfet驱动控制电路还包括二极管d2、电感l。如图4所示。其中，sic mosfet器件的漏极经并联的二极管d2、电感l与负载正向输入端连接，其源极与负载负向输入端连接。
[0078]
优选地，控制芯片输出的开关管s1～s6控制信号均为矩形波控制信号；并且，在sic mosfet器件的一个开关周期内，开关管s1～s4控制信号的波形互补，使得s1～s4依次启动；开关管s5控制信号为s1、s4控制信号的叠加，开关管s6控制信号为s2、s3控制信号的叠加。
[0079]
优选地，所述控制芯片执行如下程序：
[0080]
s1.根据sic mosfet器件的栅源极安全电压(v-，v

)，确定电源v
g1
、v
g2
幅值范围，推荐给用户，供其选择合适的电源v
g1
、v
g2
。
[0081]v -v
预设
≤v
g1
≤v

[0082]
v--v预设
≤v
g2
≤v-ꢀꢀꢀ
(1)
[0083]
考虑到sic mosfet的栅源极负向安全电压v-为-10v左右，正向安全电压v

一般为20～25v，推荐工作驱动电压为-5～20v，因此设计该驱动电路中v
g1
＝24v，v
g2
＝5v，这样可以保证sic mosfet对驱动电压的要求，并且可以保证sic mosfet在完全导通时具有较小的通态电阻值，从而提高sic mosfet的工作效率。
[0084]
s2.根据选定的电源v
g1
、v
g2
，结合sic mosfet器件的米勒电压v
miller
(查sic mosfet器件得使用说明书可获得)、电容c
gd
、电阻rg，确定电阻r
g1
、r
g2
阻值，推荐给用户，供其选择合适的电阻r
g1
、r
g2
。
[0085]
s3.根据上述选定的电源v
g1
、v
g2
、电阻r
g1
、r
g2
，结合sic mosfet器件的工作占空比d、工作频率f，确定开关管s1～s4控制信号各自的通态时间与断态时间；断态时间＝1/f-通态时间。
[0086]
s4.根据获得的开关管s1～s4控制信号，依据开关管s5控制信号为s1、s4控制信号的叠加、开关管s6控制信号为s2、s3控制信号的叠加原则，确定开关管s5、s6控制信号。
[0087]
s5.输出上述开关管s1～s6控制信号。
[0088]
优选地，步骤s2中，控制芯片通过下面公式确定电阻r
g1
的电阻值r
g1
[0089][0090]
其中
[0091][0092][0093]
式中，l
pa
为线路中的寄生电感，r
pa
为线路中的寄生电阻，如图5所示，l、w、h分别为布设sic mosfet驱动控制电路的pcb电路板上导线的长度、宽度和厚度，ρ为所述导线的电导率，v
bus
为负载额定输出电压。
[0094]
优选地，控制芯片通过下面公式确定电阻r
g2
的电阻值r
g2
[0095][0096]
式中，v
miller
为sic mosfet器件的米勒电压，c
gd
为电容c
gd
的电容值，rg为电阻rg阻
值。
[0097]
优选地，所述控制芯片通过下面公式确定开关管s1～s4控制信号各自的通态时间τ1～τ4[0098][0099][0100][0101][0102]
其中
[0103][0104][0105][0106]
式中，v
th
为sic mosfet器件的阈值开通电压，g
fs
为sic mosfet器件的跨导，ls是sic mosfet器件的源极寄生电感，r
g1
、r
g2
、rg分别为r
g1
、r
g2
、rg的电阻值，c
gd
、c
gs
、c
ds
分别为c
gd
、c
gs
、c
ds
电容值，d为sic mosfet器件的工作占空比，f为sic mosfet器件的工作频率。
[0107]
优选地，控制芯片还执行如下程序：
[0108]
s5.根据用户需求的输出电流幅值io，结合sic mosfet器件的工作占空比d、工作频率f，通过下面公式确定所述l的电感值，将其推荐给用户，供其选择合适的电感l
[0109][0110]
式中，d为sic mosfet器件的工作占空比，f为sic mosfet器件的工作频率，io为预设输出电流幅值，v
bus
为负载额定输出电压，也是sic mosfet驱动控制电路的直流母线电压。
[0111]
该sic mosfet驱动控制电路在一个开关周期内共有4个工作模态，各模态特点见表1。
[0112]
表1
mosfet的开通信号到来，此模态结束。此模态中，相比于模态3的负压与低关断驱动电阻的关断方式，模态4的零压与高关断驱动电阻的关断方式，可使sic mosfet的漏极电流变化速度降低，则其关断过电压及振荡可得到有效抑制。
[0119]
总结来说，通过调整sic mosfet四种工作模态下的驱动电压和驱动电阻，可以保证sic mosfet在各种模态下具有极高的开通与关断速度、极低的关断过电压与振荡、较低的功率损耗，进而使sic mosfet能够兼顾高频高效高可靠性的优点，提升sic mosfet的工作性能。
[0120]
上面涉及的公式推导过程如下：
[0121]
在t0～t1时段，sic mosfet处于开通过程，根据基尔霍夫电压电流定律，对这一过程列写方程如下
[0122][0123]
据此可计算出驱动电压v
gs
如下
[0124][0125]
其中
[0126]
s＝j2πf
[0127]
式中，s为拉普拉斯算子，f为sic mosfet器件的工作频率，并且
[0128][0129]
在式(7)和(8)中，用户根据需要选定好合适的sic mosfet的型号后，线路中的寄生电感l
pa
和寄生电阻r
pa
的参数值可根据pcb的实际布局估算出来，估算公式由(9)给出，其中l、w、h分别为pcb导线的长度、宽度和厚度，ρ为pcb导线的电导率。
[0130][0131]
可以判断，式(7)中的未知量只有r
g1
，将v
gs
＝v
th
带入式中，即可计算出驱动电阻r
g1
的取值，其中v
th
为sic mosfet的阈值开通电压，该值可查阅数据手册获得。驱动电阻r
g1
的取值为
[0132][0133]
进一步，忽略线路中的寄生参数，可以求得v
gs
如下
[0134][0135]
根据用户设定的漏源电压变化率dv
ds
/dt，并将v
gs
＝v
th
带入，即可求得τ1如下
[0136][0137]
由于τ1 τ2为sic mosfet的导通时间，其值为d/f，其中d和f分别为sic mosfet的工作占空比和工作频率，则τ2结果如下
[0138][0139]
在t2～t3时段，sic mosfet处于关断过程，此过程中电容c
gd
由于漏源电压变化率dv
ds
/dt的作用而产生电流效应，电流大小为
[0140][0141]
其中，v
miller
为sic mosfet的米勒电压，该值可查阅数据手册获得。带入用户设定的dv
ds
/dt，即可得到r
g2
[0142][0143]
另外，考察sic mosfet在该阶段的电流变化率di
ds
/dt，其值为
[0144][0145]
其中τa和τb如下
[0146]
[0147]
在式(15)和(16)中，用户根据需要选定好合适的sic mosfet的型号后，根据用户设定的电流变化率di
ds
/dt，可以计算出τ3[0148][0149]
由于τ3 τ4为sic mosfet的关断时间，其值为(1-d)/f，其中d和f分别为sic mosfet的工作占空比和工作频率，则τ4结果如下
[0150][0151]
电感l的取值取决于用户设定的输出电流io的大小，表达式为
[0152][0153]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0154]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。