防串扰SiCMOSFET驱动电路的制作方法

防串扰sic mosfet驱动电路
技术领域
1.本发明涉及电路领域，更具体地涉及一种防串扰sic mosfet驱动电路。


背景技术：

2.随着电力电子技术的快速发展，受制于si材料的物理特性,si基器件已无法满足充电设备在功率密度和开关损耗等方面对功率器件的性能需求。作为第三代宽带隙半导体的典型代表,sic mosfet具有耐高压,耐高温和开关损耗低等优良特性。相比于si器件,sic mosfet应用于电力电子设备中将级大减小设备体积,提高设备的功率密度和效率。
3.然而,由于sic mosfet封装与设计中不可避免的引入杂散参数,使其应用于桥臂电路中级易在开关瞬态产生栅级串扰电压，栅级串扰电压会造成桥臂电路直通短路，导致器件过热损坏；产生负压超过器件的耐受级造成器件击穿损坏等。所以在桥臂电路中抑制器件间的串扰是至关重要的。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种防串扰sic mosfet驱动电路。能够有效抑制了器件在开通和关断期间产生的串扰电压尖峰，与传统的抑制方法不同，在保证串扰被抑制的前提下，器件的开通和关断动作时间未被延长，并且本发明的方法能够有效保护功率器件的安全性。
5.本发明提供了一种防串扰sic mosfet驱动电路，包括：相互连接的上桥臂电路和下桥臂电路，所述上桥臂电路和下桥臂电路分别包括饱和上桥臂防串扰电路和下桥臂防串扰电路；其中，所述上桥臂防串扰电路通上桥臂驱动电阻接入上桥臂上管mosfet，并且所述上桥臂防串扰电路中包括：连接在上桥臂驱动电阻的上桥臂关断防串扰电路和连接在上桥臂驱动电阻另一端的上桥臂开通防串扰电路；并且其中，所述下桥臂防串扰电路通下桥臂驱动电阻接入下桥臂下管mosfet，并且所述下桥臂防串扰电路中包括：连接在下桥臂驱动电阻的下桥臂关断防串扰电路和连接在下桥臂驱动电阻另一端的下桥臂开通防串扰电路。
6.根据本发明的一个实施例，所述上桥臂开通防串扰电路、所述下桥臂开通防串扰电路、所述上桥臂关断防串扰电路、所述下桥臂关断防串扰电路为三级管串接电容电路。
7.根据本发明的一个实施例，其中，在所述上桥臂开通防串扰电路和所述上桥臂关断防串扰电路之间接入上桥臂防串扰二级管，当所述上桥臂串扰二级管导通时，所述上桥臂防关断串扰电路工作以防止上桥臂上管mosfet关断时的串扰，当所述上桥臂串扰二级管截止时，所述上桥臂防开通串扰电路工作以防止上桥臂上管mosfet开通时的串扰。
8.根据本发明的一个实施例，其中，在所述下桥臂开通防串扰电路和所述下桥臂关断防串扰电路之间接入下桥臂防串扰二级管，当所述下桥臂串扰二级管导通时，所述下桥臂防关断串扰电路工作以防止下桥臂下管mosfet关断时的串扰，当所述下桥臂串扰二级管截止时，所述下桥臂防开通串扰电路工作以防止下桥臂下管mosfet开通时的串扰。
9.根据本发明的一个实施例，其中，所述上桥臂关断防串扰电路和下桥臂防关断串扰电路中的三级管为npn型三级管，所述上桥臂开通防串扰电路和下桥臂开通防串扰电路
中的三级管为pnp型三级管。
10.根据本发明的一个实施例，其中所述上桥臂电路和下桥臂电路分别与上桥臂驱动器和下桥臂驱动器相连，所述上桥臂驱动器和下桥臂驱动器具有宽电压输入并输出驱动电流，并且产生负电压使得mosfet快速关断；并且其中，所述上桥臂驱动器和下桥臂驱动器还具有欠压保护、过流保护和退饱和检测功能。
11.根据本发明的一个实施例，在上桥臂上管mosfet和下桥臂下管mosfet处于关断状态时，当上桥臂上管mosfet开通时，当电流流经下桥臂驱动电阻后产生的电压大于预设阈值的压降时，下桥臂开通防串扰电路的三级管串接电容电路中的三级管导通，并臂开通防串扰电路的三级管串接电容电路中的电容接入所述电路，将下桥臂下管mosfet的栅源级电压钳位以防止下桥臂下管mosfet的导通。
12.根据本发明的一个实施例，当上桥臂上管mosfet瞬间关断时，当下桥臂驱动电阻的压降超过下桥臂防关断串扰电路三级管的导通阈值电压时，将下桥臂防关断串扰电路的三级管串接电容电路中的三级管导通，并将下桥臂防关断串扰电路的三级管串接电容电路中的电容接入所述电路，并将下桥臂下管mosfet的栅源级电压钳位以防止下桥臂下管mosfet的导通。根据本发明的一个实施例，在上桥臂上管mosfet和下桥臂下管mosfet处于关断状态时，当下桥臂下管mosfet开通时，当电流流经上桥臂驱动电阻后产生的电压大于三级管的阈值压降时，上桥臂关断防串扰电路的三级管串接电容电路中的三级管导通，将上桥臂关断防串扰电路的三级管串接电容电路中的电容接入所述电路中，并将上桥臂上管mosfet的栅源级电压钳位以防止上桥臂上管mosfet的导通。
13.根据本发明的一个实施例，当下桥臂下管mosfet瞬间关断时，当上桥臂驱动电阻的压降超过上桥臂防开通串扰电路三级管的导通阈值电压时，将上桥臂防开通串扰电路的三级管串接电容电路中的三级管导通，并将上桥臂防开通串扰电路的三级管串接电容电路中的电容接入所述电路，并将上桥臂上管mosfet的栅源级电压钳位以防止上桥臂上管mosfet的导通。
14.本发明的方案驱动器采用驱动芯片，使得驱动器的封装更小，成本更低，利于布局和产品优化；本发明的方案利用电路中的驱动电阻进行防串扰电路设计，不会过多的增加损耗，而且以三级管串联电容的方式，可以有效防止串扰电压尖峰，但是电容在正常导通时不会引入，从而确保导通和关断时间不会延长，在保护器件的时候开关损耗不会显著增大。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本发明的示例性实施例的防串扰sic mosfet驱动电路的电路图。
17.图2是根据本发明的示例性实施例的防串扰sic mosfet驱动电路mos_h导通时的工作原理图。
18.图3是根据本发明的示例性实施例的防串扰sic mosfet驱动电路mos_h瞬间关断时的工作原理图。
19.图4是根据本发明的示例性实施例防串扰sic mosfet驱动电路mos_l导通时的工
作原理图。
20.图5是根据本发明的示例性实施例的防串扰sic mosfet驱动电路mos_l瞬间关断时的工作原理图。
具体实施例
21.如在本文中所使用的，词语“第一”、“第二”等可以用于描述本发明的示例性实施例中的元件。这些词语只用于区分一个元件与另一元件，并且对应元件的固有特征或顺序等不受该词语的限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含意相同的含意。如在常用词典中定义的那些术语被解释为具有与相关技术领域中的上下文含意相同的含意，而不被解释为具有理想或过于正式的含意，除非在本发明中被明确定义为具有这样的含意。
22.本领域的技术人员将理解的是，本文中描述的且在附图中说明的本发明的装置和方法是非限制性的示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施例所说明或描述的特征可与其他实施例的特征组合。这种修改和变化包括在本发明的范围内。
23.下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在附图中，省略相关已知功能或配置的详细描述，以避免不必要地遮蔽本发明的技术要点。另外，通篇描述中，相同的附图标记始终指代相同的电路、模块或单元，并且为了简洁，省略对相同电路、模块或单元的重复描述。
24.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制，根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
25.此外，应当理解一个或多个以下方法或其方面可以通过至少一个控制单元或控制器执行。术语“控制单元”，“控制器”,“控制模块”或者“主控模块”可以指代包括存储器和处理器的硬件设备。存储器或者计算机可读存储介质配置成存储程序指令，而处理器具体配置成执行程序指令以执行将在以下进一步描述的一个或更多进程。而且，应当理解，正如本领域普通技术人员将意识到的，以下方法可以通过包括处理器并结合一个或多个其他部件来执行。
26.表1是本发明中用到的符号的含义说明，其中取值范围通常为示例性的取值，根据本发明的需要，能够实现本发明精神的符号的取值范围也可适用。
27.表1
28.[0029][0030]
图1是本发明的示例性实施例的防串扰sic mosfet驱动电路的电路图。
[0031]
如图1所示，两个mosfet管上下连接后称作一个桥臂，其中的上管连接的电路(靠上方的mos_h，即上桥臂上管)也称上桥臂电路，下管连接的电路称为下桥臂电路(靠上下方的mos_h，即下桥臂下管)，可以全部使用上管和下管的称呼，防串扰电路包括相互连接的上桥臂电路和下桥臂电路，所述上桥臂电路和下桥臂电路分别包括上桥臂防串扰电路和下桥臂防串扰电路；其中，所述上桥臂防串扰电路通上桥臂驱动电阻接入上桥臂上管mosfet，并且所述上桥臂防串扰电路中包括：连接在上桥臂驱动电阻的上桥臂关断防串扰电路和连接在上桥臂驱动电阻另一端的上桥臂开通防串扰电路；并且其中，所述下桥臂防串扰电路通下桥臂驱动电阻接入下桥臂下管mosfet，并且所述下桥臂防串扰电路中包括：连接在下桥臂驱动电阻的下桥臂关断防串扰电路和连接在下桥臂驱动电阻另一端的下桥臂开通防串扰电路。
[0032]
根据本发明的一个或多个实施例，上桥臂电路包括依次连接的上桥臂驱动器uh、上桥臂驱动电阻rh和上桥臂上管mosfet(mos_h)，下桥臂电路包括因此连接的下桥臂驱动器u
l
；下桥臂驱动电阻r
l
、和下桥臂下管mosfet(mos_l)；在上桥臂驱动电阻rh和下桥臂驱动电阻r
l
的两端分别设置有上桥臂防串扰电路和下桥臂防串扰电路；其中，所述上桥臂驱动器uh的退饱和检测管脚desat和接地管脚gnd分别连接上桥臂退饱和检测电容c1的第一端和第二端，c1的第一端、上桥臂退饱和限流电阻r1、二级管d1、上桥臂上管mosfet的漏级依次连接；上桥臂驱动器的输出端out通过上桥臂驱动电阻rh连接到上桥臂上管mosfet的栅级；其中，所述下桥臂驱动器u
l
的退饱和检测管脚desat和接地管脚gnd分别连接下桥臂退饱和检测电容c2的第一端和第二端，c2第一端、上桥臂退饱、限流电阻r2、二级管d2、下桥臂下管mosfet的漏级依次连接；下桥臂驱动器的输出端out通过下桥臂驱动电阻r
l
连接到下桥臂下管mosfet的栅级。
[0033]
根据本发明的一个或多个实施例，上桥臂防串扰电路包括：第一上桥臂防串扰三级管q
1_h
和第二上桥臂防串扰三级管q
2_h
，第一上桥臂防串扰电容c
1_h
，第二上桥臂防串扰电容c
2_h
，上桥臂防串扰二级管dh；根据本发明的一个或多个实施例，q
1_h
(npn型)的发射级和q
2_h
(pnp型)发射级分别与上桥臂防串扰二级管dh的阳级和阴级相连接，q
1_h
(npn)的集电级连接至第一上桥臂防串扰电容c
1_h
的一端，第一上桥臂防串扰电容c
1_h
的另一端接地，q
2_h
(pnp型)的集电级连接至第二上桥臂防串扰电容c
2_h
，第二上桥臂防串扰电容c
2_h
的另一端接地；上桥臂驱动电阻rh的一端与q
1_h
(npn型)的基级和q
2_h
(pnp型)的基级相连，另一端与q
2_h
(pnp型)发射级相连接；其中，q
1_h
、c
1_h
和dh工作时防止上桥臂上管mosfet关断时的串扰；q
2_h
和c
2_h
工作时防止上桥臂上管mosfet开通时的串扰。其中q
1_h
、c
1_h
组成的三级管电容电路为上桥臂防关断串扰电路，q
2_h
和c
2_h
组成的三级管电容电路为上桥臂防开通串扰电路。
[0034]
根据本发明的一个或多个实施例，其中所述下桥臂防串扰电路包括：第一下桥臂防串扰三级管q
1_l
和第二下桥臂防串扰三级管q
2_l
，第一下桥臂防串扰电容c
1_l
，第二下桥臂防串扰电容c
2_l
，下桥臂防串扰二级管d
l
；其中，q
1_l
(npn)的发射级和q
2_l
(pnp型)发射级分别与下桥臂防串扰二级管d
l
的正级和负级接，q
1_l
(npn)的集电级连接至第一下桥臂防串扰电容c
1_l
的一端，第一下桥臂防串扰电容c
1_l
的另一端接地，q
2_l
(pnp型)的集电级连接至第二下桥臂防串扰电容c
2_l
，第二下桥臂防串扰电容c
2_l
的另一端接地；下桥臂驱动电阻r
l
的一端与q
1_l
(npn)的基级和q
2_l
(pnp型)的基级相连，另一端与q
2_l
(pnp型)发射级相连接；其中，q
1_l
、c
1_l
和d
l
工作时防止下桥臂下管mosfet关断时的串扰；q
2_l
和c
2_l
工作时防止下桥臂下管mosfet开通时的串扰。其中由q
1_l
、c
1_l
组成的三级管电容电路为下桥臂防关断串扰电路；由q
2_l
和c
2_l
组成的电路为下桥臂防开通串扰电路。
[0035]
根据本发明的一个或多个实施例，电路上下部分连接关系相同，现就上半部分进行简单描述。本发明的驱动电路中的上桥臂驱动器uh和下桥臂驱动器u
l
可以采用瞻芯ivcr1401芯片，其中芯片的dsp_pwm信号连接至管脚in，管脚5vref接入5v的电源，/fault管脚输出故障信号fault，管脚desat为退饱和检测管脚，在退饱和检测管脚desat和gnd管脚之间分别接入退饱和检测电容c1的一端和另一端。退饱和检测管脚desat与退饱和电容c1的一端连接后，然后依次连接电阻r1、二级管d1和上桥臂上管mosfet的漏级,其中，desat关键可以理解为电路中的一个节点，其和电容连接并且依此连接后面的器件。正常情况下二级
管d1导通，芯片内部1ma的电流可以通过二级管流出电容的电压一直被上桥臂上管mosfet mos_h的漏源级电压v
ds
钳位，所以不会触发退饱和短路电流保护，一但两臂发生短路退饱和，那么二级管d1将会截止，此时电流将一直给电容c1充电，直到电压超过阈值9.5v之后触发退饱和保护。管脚(out)，管脚(neg)接驱动电阻rh接mos_h栅级，在驱动电阻两端接入防串扰电路，q
1_h
,c
1_h
,dh,防止关断时的串扰，q
2_h
,c
2_h
防止开通时的串扰，虚线框中的结构为上下mos管中的寄生结构。
[0036]
根据本发明的一个或多个实施例，驱动电路的前级为驱动器(uh和u
l
)，其采用瞻芯电子ivcr1401芯片，此芯片内部可以产生负压(-3.5v)，(neg管脚为负压关断信号输出)可以减少多路隔离电源的副边元器件数量，芯片具有退饱和过电流保护功能，可以大大提高设备的安全性。ivcr1401，为一款sic_mosfet驱动芯片，可以有35v的宽电压输入，同时可以输出4a的驱动电流，可以产生-3.5v的电压可以使sic_mosfet快速关断。同时兼具欠压保护，过流保护及退饱和检测功能。具体功能实际上是对dsp中发出的pwm控制信号进行功率放大后，输出可以使sic_mosfet的快速开通和关断。可以替代改芯片的驱动器的通用模块很多，通常有ti的ucc21732和ucc21750等。驱动电路的后级的电路即为防串扰保护功能，瞬态防串扰的工作过程分析描述如图2-5所示。
[0037]
图2是根据本发明的示例性实施例的防串扰sic mosfet驱动电路mos_h导通时的工作原理图。
[0038]
如图2所示，假设初始阶段驱动电路中mos_h和mos_l均处于关断状态(此状态即为正常工作时的死区状态)，mos_h开通时，电路中电流走向如图2所示。上桥臂驱动芯片uh输出正驱动电压时，上桥臂开始导通，当mos_h的栅源级电压v
gs
》v
th
时(v
th
是mos_h的导通阈值)，上桥臂开始流过电流，并且mos_h的漏源级电压v
ds_h
开始快速下降，下桥臂下管mos_l的漏级电压快速上升，此时电流流过下桥臂下管mos_l的米勒电容c
gd_l
、下桥臂下管mos_l的内部栅级电阻r
gin_l
、驱动电阻r
l
流入驱动芯片neg管脚，因为下桥臂下管mos_l的漏级过大的dv/dt,使流过米勒电容的电流(ic＝c
gd_l
*dv/dt)很大，此电流会在下桥臂驱动电阻rh处产生压降，这个压降有很大概率超过下桥臂下管mos_l的开通阈值电压v
th
，使下桥臂也误导通，此时的上下桥臂均导通则会造成直通短路，从而损坏设备，但加入此防串扰电路后，若电流流经r
l
产生大于0.7v的压降则q
2_l
三级管导通，此时电容c
2_l
接入电路中，将下桥臂下管mos_l的栅源级电压v
gs_l
钳位，可以防止下桥臂导通引起桥臂直通，造成器件损坏。此处，钳位的含义为：因为电容的特性，电容上的电压不能突变，所以电容具有短时间内限制栅源级电压v
gs_l
突变的能力，因此称作钳位。
[0039]
根据本发明的一个或多个实施例，防止上桥臂上管mosfet或下桥臂下管mosfet导通的目的是为了保证上桥臂的mosfet和下桥臂的mosfet不同时开启，因为上桥臂臂的上管mosfet和下桥臂的下管mosfet同时开启后他们要各自承受约270v的电压，而且应为此时电路几乎为短路状态，电流极大，此时器件会立即被烧坏，所以为保护器件，在开启一臂时要绝对禁止另一臂的误导通。
[0040]
图3是根据本发明的示例性实施例的防串扰sic mosfet驱动电路mos_h瞬间关断时的工作原理图。
[0041]
如图3所示，下一状态上桥臂关断瞬间，电流流向如图3所示，上桥臂驱动芯片uh的neg管脚输出负压关断上桥臂，此时上桥臂上管mos_h的漏源级电压v
ds_h
快速上升，此时下
桥臂下管mos_l的漏级电压急剧下降，下桥臂栅漏级电容(米勒电容)c
gd_l
需快速放电，产生电流i，当此电流流经驱动电阻r
l
时，便会产生压降，在下桥臂驱动器中neg管脚-3.5v电压下再产生压降极易使负压超过sic mosfet的负压耐受级限，导致负压击穿损坏设备，而在此防串扰保护电路接入时，当r
l
的压降超过q
1_l
和d
l
的阈值电压之和时，电容c
1_l
接入电路中，钳位下桥臂下管mos_l的栅源级电压v
gs_l
，达到了保护设备的目的，其中，q
1_l
和d
l
这是三级管和二级管的串联，这两个半导体器件都有阈值，因此压降的阈值为这两个器件的阈值电压之和。
[0042]
图4是根据本发明的示例性实施例防串扰sic mosfet驱动电路mos_l导通时的工作原理图。
[0043]
如图4所述，首先，mos_h和mos_l的上下两桥臂均处于关断状态(处于死区状态)。下桥臂导通瞬时电流如图4所示。下桥臂驱动芯片u
l
输出高压驱动信号，下桥臂开始导通，下桥臂下管mos_l的漏源级电压v
ds_l
快速下降，上桥臂米勒电容c
gd_h
因为较大的dv/dt导致较大的充电电流，电流流经驱动电阻rh,若电流足够大驱动电阻将会将门级电压拉高到使其导通的程度，但同上述情况相似，此时若电压抬升超过0.7v，则q
2_h
导通，第二上桥臂防串扰电容c
2_h
接入该驱动电路中，从而限制门级电压，保护上桥臂上管mos_h不误导通。
[0044]
图5是根据本发明的示例性实施例的防串扰sic mosfet驱动电路mos_l瞬间关断时的工作原理图。
[0045]
如图5所示，接着进入下一状态，如图5所示，下桥臂关断，此时下桥臂下管mos_l的漏源级v
ds_l
快速上升，上桥臂栅漏级电容(米勒电容)c
gd_h
开始快速放电，会产生很大的电流，电流经上桥臂驱动电阻rh上可能产生较大的电压降，此时的压降可能会导致上桥臂门级电压u
gs
超过器件的负压耐受极限，因此有损伤器件的风险。此时若压降超过三级管q
1_h
及串联二级管dh的导通压降，即rh的压降超过q
1_h
和dh的阈值电压之和，将电容c
1_h
接入电路，从而限制门级电压，保护上桥臂上管mos_h不误导通，使得器件得到保护。
[0046]
作为本发明示例的上文涉及的附图和本发明的详细描述，用于解释本发明，但不限制权利要求中描述的本发明的含义或范围。因此，本领域技术人员可以很容易地从上面的描述中实现修改。此外，本领域技术人员可以删除一些本文描述的组成元件而不使性能劣化，或者可以添加其它的组成元件以提高性能。此外，本领域技术人员可以根据工艺或设备的环境来改变本文描述的方法的步骤的顺序。因此，本发明的范围不应该由上文描述的实施例来确定，而是由权利要求及其等同形式来确定。
[0047]
尽管本发明结合目前被认为是可实现的实施例已经进行了描述，但是应当理解本发明并不限于所公开的实施例，而相反的，意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同配置。