本發(fā)明屬于sicmosfet驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種抑制sicmosfet橋臂串?dāng)_的改進(jìn)門極驅(qū)動(dòng)裝置。

背景技術(shù)：

近年來，以碳化硅(siliconcarbide，sic)mosfet為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件因其具有高開關(guān)頻率、高開關(guān)速度、高擊穿場強(qiáng)、高熱導(dǎo)率等優(yōu)異的物理特性，成為了高頻、高溫、高功率密度驅(qū)動(dòng)的理想器件選擇。然而在橋式變換器中，sicmosfet的高開關(guān)速度特性在提高開關(guān)頻率、降低開關(guān)損耗、縮短死區(qū)時(shí)間的同時(shí)，受器件寄生參數(shù)的影響，會(huì)產(chǎn)生橋式電路中一個(gè)器件的快速開斷導(dǎo)致與之互補(bǔ)的另一個(gè)器件柵源電壓振蕩的串?dāng)_現(xiàn)象。由于sicmosfet正向閥值電壓與最大關(guān)斷負(fù)壓較小，柵源電壓振蕩可能引起器件誤導(dǎo)通而造成短路，或超過負(fù)壓最大值而損壞器件。因此，如何抑制橋式電路中的串?dāng)_現(xiàn)象對提高變換器工作可靠性、延長sicmosfet器件使用壽命具有重要意義。目前，常用的增大驅(qū)動(dòng)電阻與并聯(lián)電容抑制方法，延長了開關(guān)延時(shí)時(shí)間，加大了開關(guān)損耗；而通過監(jiān)測米勒平臺(tái)期來控制驅(qū)動(dòng)阻抗的抑制方法，在準(zhǔn)確監(jiān)測開關(guān)所處狀態(tài)方面有一定難度；采用負(fù)壓關(guān)斷的抑制方法，減小了負(fù)壓裕量，容易引起負(fù)壓過限；而采用有源鉗位的抑制方法需外加控制信號，加大了控制成本與復(fù)雜程度。因此，在不延長開關(guān)延時(shí)時(shí)間，不增加開關(guān)損耗及控制復(fù)雜程度的前提上，急需一種簡單有效的抑制方法，來解決sicmosfet驅(qū)動(dòng)過程中存在的橋臂串?dāng)_問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種抑制sicmosfet橋臂串?dāng)_的改進(jìn)門極驅(qū)動(dòng)裝置，在不以犧牲sicmosfet開關(guān)延時(shí)，開關(guān)損耗或增加控制復(fù)雜程度為代價(jià)的前提下，達(dá)到有效抑制sicmosfet驅(qū)動(dòng)過程中的串?dāng)_現(xiàn)象，提高sicmosfet橋式變換器工作可靠性與工作效率的目的。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種抑制sicmosfet橋臂串?dāng)_的改進(jìn)門極驅(qū)動(dòng)裝置，包含主驅(qū)動(dòng)電路和無源輔助電路，所述主驅(qū)動(dòng)電路與所述sicmosfet器件連接；所述無源輔助電路與所述主驅(qū)動(dòng)電路連接；所述主驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)量為2，用于實(shí)現(xiàn)主電路上下橋臂中所述sicmosfet器件的分?jǐn)嗟墓δ?，所述無源輔助電路的數(shù)量為2，用于抑制驅(qū)動(dòng)所述主電路上下橋臂中所述sicmosfet器件過程中產(chǎn)生的橋臂串?dāng)_。

進(jìn)一步，所述主驅(qū)動(dòng)電路具體包括dc-dc變換器單元，光耦隔離芯片單元，驅(qū)動(dòng)芯片單元，驅(qū)動(dòng)電阻單元；所述dc-dc變換器單元包括rp12-09d變換器與rp12-05s變換器，所述rp12-09d變換器的負(fù)極輸出端與所述rp12-05s變換器的正極輸出端連接，所述rp12-05s變換器的負(fù)極輸出端還與所述無源輔助電路連接，輸入電源經(jīng)過所述dc-dc變換器單元為所述主驅(qū)動(dòng)電路供電；所述光耦隔離芯片單元用于實(shí)現(xiàn)控制信號與驅(qū)動(dòng)信號的隔離，所述光耦隔離芯片單元還包含用于接收控制信號的輸入端；所述驅(qū)動(dòng)芯片單元的輸出端與驅(qū)動(dòng)電阻單元的一端連接，所述驅(qū)動(dòng)芯片單元用于輸出所述sicmosfet器件的驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流；所述驅(qū)動(dòng)電阻單元的另一端與所述sicmosfet器件門極連接，所述驅(qū)動(dòng)電阻單元用于調(diào)節(jié)所述sicmosfet器件的開關(guān)速度。

進(jìn)一步，所述無源輔助電路由正向峰值電壓抑制單元和負(fù)向峰值電壓抑制單元組成，所述無源輔助電路分為上橋臂無源輔助電路和下橋臂無源輔助電路，分別與所述上下橋臂的主驅(qū)動(dòng)電路連接；

所述正向峰值電壓抑制單元包含npn三極管、二極管、輔助電容ⅰ和輔助電阻ⅰ，所述npn三極管的基極與所述輔助電阻ⅰ的一端連接，所述輔助電阻ⅰ的另一端與所述dc-dc變換器單元的rp12-05s變換器負(fù)極輸出端連接，所述npn三極管的集電極與所述輔助電容ⅰ的一端連接，所述輔助電容ⅰ的另一端與所述dc-dc變換器單元的rp12-05s變換器正極輸出端連接，所述npn三極管的發(fā)射極與所述二極管的正極連接；

所述負(fù)向峰值電壓抑制單元包含pnp三極管，輔助電容ⅱ，輔助電阻ⅱ，所述輔助電阻ⅱ的一端與所述驅(qū)動(dòng)芯片單元的輸出端連接，另一端與所述pnp三極管的基極連接，所述pnp三極管的集電極與所述輔助電容ⅱ的一端連接，所述輔助電容ⅱ的另一端與所述dc-dc變換器單元的rp12-05s變換器正極輸出端連接；所述pnp三極管的發(fā)射極與所述二極管的負(fù)極連接之后連接至所述sicmosfet器件門極；

所述正向峰值電壓抑制單元，用于抑制柵極振蕩的正向電壓峰值；

所述負(fù)向峰值電壓抑制單元，用于抑制柵極振蕩的負(fù)向電壓峰值。

進(jìn)一步：

在橋臂sicmosfet器件導(dǎo)通瞬間，與之互補(bǔ)的另一橋臂的所述驅(qū)動(dòng)電阻滿足：

在橋臂sicmosfet器件關(guān)斷瞬間，與之互補(bǔ)的另一橋臂的所述驅(qū)動(dòng)電阻滿足：

式中vcgs為柵源電容電壓，v2為sicmosfet器件的關(guān)斷負(fù)壓幅值，rg為驅(qū)動(dòng)電阻，r＝rg+rg(in)，其中rg(in)為sicmosfet器件的內(nèi)部電阻。

進(jìn)一步，所述輔助電容滿足：

式中vdc為直流輸入電壓，cgd為sicmosfet器件的柵漏電容，c為輔助電容，a＝c+ciss，其中ciss＝cgs+cgd，cgs為sicmosfet器件的柵源電容，a為sicmosfet器件的開關(guān)速率。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明基于控制正負(fù)向電壓振蕩抑制單元中三極管開斷，降低開關(guān)瞬間驅(qū)動(dòng)阻抗的思想，提出了一種在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上，增加三極管串聯(lián)電容的新型無源輔助電路改進(jìn)驅(qū)動(dòng)方法。通過對主驅(qū)動(dòng)電路和無源輔助電路參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，在不以犧牲sicmosfet開關(guān)延時(shí)，開關(guān)損耗或增大控制復(fù)雜程度為代價(jià)的前提下抑制橋臂串?dāng)_。所述裝置有利于提高sicmosfet橋式變換器工作效率與工作可靠性。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明：

圖1為本申請中抑制sicmosfet橋臂串?dāng)_的改進(jìn)門極驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為橋臂驅(qū)動(dòng)過程中電壓電流波形圖；

圖3為本發(fā)明的改進(jìn)抑制橋臂串?dāng)_驅(qū)動(dòng)裝置的工作原理圖；

圖4為本發(fā)明的改進(jìn)抑制橋臂串?dāng)_驅(qū)動(dòng)裝置在輔助電路不工作時(shí)的等效電路簡化圖；

圖5為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電阻取值范圍示意圖；

圖6為本發(fā)明的改進(jìn)抑制橋臂串?dāng)_驅(qū)動(dòng)裝置在輔助電路工作時(shí)的等效電路簡化圖；

圖7為本發(fā)明的輔助電容取值范圍示意圖；

圖8、圖9為本申請中的驅(qū)動(dòng)裝置仿真對比波形圖；

圖10、圖11、圖12為本申請中的驅(qū)動(dòng)裝置在不同驅(qū)動(dòng)電阻、不同輸入電壓、不同負(fù)載電流條件下的對比效果圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖1為本發(fā)明的抑制sicmosfet橋臂串?dāng)_的門極驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；該裝置包含sicmosfet主驅(qū)動(dòng)電路及無源輔助電路，其中：

sicmosfet主驅(qū)動(dòng)電路用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)sicmosfet器件開斷的功能；主驅(qū)動(dòng)電路具體包括：dc-dc變換器單元，用于主驅(qū)動(dòng)電路供電；光耦隔離芯片單元，用于實(shí)現(xiàn)控制信號與驅(qū)動(dòng)信號的隔離，提高主驅(qū)動(dòng)電路抗干擾能力；驅(qū)動(dòng)芯片單元，用于輸出驅(qū)動(dòng)sicmosfet器件所需的驅(qū)動(dòng)電壓與驅(qū)動(dòng)電流；驅(qū)動(dòng)電阻單元，用于調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)sicmosfet器件開關(guān)速度。

無源輔助電路用于抑制sicmosfet驅(qū)動(dòng)過程中產(chǎn)生的橋臂串?dāng)_現(xiàn)象；無源輔助電路具體包括：正向峰值電壓抑制單元，用于抑制柵極振蕩的正向電壓峰值；負(fù)向峰值電壓抑制單元，用于抑制柵極振蕩的負(fù)向電壓峰值。

以上橋臂sicmosfet器件開關(guān)瞬間引起下橋臂柵極振蕩為例，本發(fā)明橋臂驅(qū)動(dòng)過程中電壓電流波形與改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)工作原理圖參閱圖2與圖3，具體為：

t0～t1階段：qh驅(qū)動(dòng)信號為高電平，vgsh從負(fù)壓vgs(off)上升至閥值電壓vgs(th)，在此過程中，vdsh與idsh保持不變，ql的體二極管dbl續(xù)流，ql處于截止?fàn)顟B(tài)，無源輔助電路不工作。

t1～t2階段：vgsh大于閥值電壓vgs(th)，vdsh開始下降，idsh線性增大，同時(shí)idsl反向減小，qh與ql開始換流。

t2～t3階段：vdsh迅速下降，vdsl迅速上升，下橋臂ql的米勒電容cgdl開始充電，充電的米勒電流在ql柵極阻抗中產(chǎn)生負(fù)向壓降，使輔助電路中的三極管p2l發(fā)射極正偏，p1l發(fā)射極反偏，二極管d1l反偏，p2l開通，p1l關(guān)斷，充電電流通過輔助電容c2l分流，電流方向如圖3(b)中的箭頭所示，ql柵極阻抗減小，抑制了ql柵極正向峰值；上橋臂qh柵極阻抗電壓為正值，輔助電路中的三極管p1h、p2h發(fā)射極反偏，二極管d1h反偏，p1h、p2h關(guān)斷，c1h、c2h與qh門極斷開連接，驅(qū)動(dòng)電流不流經(jīng)輔助電容c1h、c2h，從而不增大qh開通延時(shí)時(shí)間與開通損耗。

t3～t4階段：vgsh從米勒平臺(tái)繼續(xù)上升至給定驅(qū)動(dòng)電壓vgs(on)，直至qh進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。

t5～t6階段：qh驅(qū)動(dòng)信號為低電平，vgsh下降至米勒電壓vmiller，qh保持導(dǎo)通，vdsh與idsh保持不變，輔助電路不工作。

t6～t7階段：vgsh維持米勒電壓vmllier不變，vdsh迅速上升，vdsl迅速下降，ql的米勒電容cgdl開始放電，放電的米勒電流在柵極阻抗中產(chǎn)生正向壓降，使輔助電路中的二極管d1l正偏，三極管p1l發(fā)射極正偏，p2l發(fā)射極反偏，p1l開通，p2l關(guān)斷，放電電流通過c1l分流，電流方向如圖3(e)中的箭頭所示，ql柵極阻抗減小，抑制了ql柵極負(fù)向峰值；上橋臂qh柵極阻抗電壓為負(fù)值，輔助電路中的三極管p2l發(fā)射極正偏，p1l發(fā)射極反偏，二極管d1l反偏，p2l開通，p1l關(guān)斷，cgsh柵源電容放電電流通過c2l分流，降低了關(guān)斷阻抗，減小了qh關(guān)斷延時(shí)時(shí)間與關(guān)斷損耗。

t7～t8階段：vgsh從米勒電壓vmllier下降，dl開始導(dǎo)通，qh與ql開始換流。

t8～t9階段：vgsh繼續(xù)下降至給定驅(qū)動(dòng)電壓vgs(off)，直至qh進(jìn)入完全關(guān)斷狀態(tài)，dl續(xù)流。

假設(shè)下橋臂sicmosfet器件ql負(fù)壓關(guān)斷電壓為v2l，上橋臂qh開關(guān)瞬間引起ql產(chǎn)生串?dāng)_現(xiàn)象。當(dāng)本發(fā)明中的無源輔助電路不工作時(shí)，忽略寄生電感的影響，則在qh開關(guān)瞬間ql的等效簡化電路如圖4所示。圖中vin電壓源等效上橋臂qh開關(guān)瞬間對下橋臂ql的影響，vin＝at，a為qh開關(guān)速度，假設(shè)a的絕對值恒定，v2l電壓源幅值為5v。

由基爾霍夫定律可得節(jié)點(diǎn)g的節(jié)點(diǎn)電壓方程：

求解式(1)可得柵源電容電壓vcgsl表達(dá)式為：

其中r＝rgl+rgl(in)，ciss＝cgsl+cgdl，在qh開關(guān)瞬間結(jié)束時(shí)，t＝vdc/a，并帶入式(2)可得：

驅(qū)動(dòng)電阻rgl的選取應(yīng)滿足在qh開關(guān)過程中，流經(jīng)ql柵極的米勒電流在rgl上產(chǎn)生的壓降應(yīng)大于三極管開通閥值電壓，使與三極管串聯(lián)的輔助電容接入柵源極間，為米勒電流提供旁路通道，因此在qh開通瞬間：

式(4)中0.7v為輔助三極管p2l開通閥值電壓，在qh關(guān)斷瞬間，應(yīng)滿足：

式(5)中0.7v為輔助三極管p1l開通閥值電壓，0.4v為輔助肖基特二極管d1l正向?qū)妷骸?/p>

本發(fā)明實(shí)施例以cree公司第2代1.2kvsicmosfet半導(dǎo)體器件c2m0080120d為例，求得驅(qū)動(dòng)電阻rgl的取值范圍如圖5所示，由圖可知，不考慮柵極寄生電感，驅(qū)動(dòng)電阻rgl取值應(yīng)大于3.9ω，當(dāng)考慮其影響時(shí)，米勒電流將在寄生電感上產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致rgl取值小于3.9ω便可使柵極阻抗壓降大于三極管閥值電壓，無源輔助電路工作。

當(dāng)無源輔助電路工作時(shí)，由于三極管與二極管飽和導(dǎo)通電阻只有幾十毫歐，可忽略其影響，則qh開關(guān)瞬間ql的等效簡化電路如圖6所示。

由基爾霍夫定律可得節(jié)點(diǎn)g的節(jié)點(diǎn)電壓方程：

求解式(6)可得輔助電容電壓表達(dá)式為：

式(7)中，a＝cl+ciss，令t＝vdc/a，可得由米勒電流引起的柵極電壓變化δv表達(dá)式為：

為了抑制串?dāng)_現(xiàn)象，ql柵極電壓應(yīng)小于閥值電壓vgs(th)，大于負(fù)壓最值vmax(neg)，由此可得：

化簡式(9)得δv<3.9v，由此可得無源輔助電路中電容cl的取值范圍參閱圖7。由圖7可知，在本實(shí)施例條件下輔助電容cl的合理取值范圍為10～100nf，因此，本實(shí)施例輔助電容取為100nf。此外，輔助電路可在三極管的門極串聯(lián)一個(gè)小電阻，從而抑制三極管驅(qū)動(dòng)電流發(fā)生突變。

為了對比本發(fā)明的改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)裝置的效果，本實(shí)施例基于ltspice仿真平臺(tái)，搭建了cree公司第2代1.2kvsicmosfet半導(dǎo)體器件c2m0080120d的改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路模型，并與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路、典型抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行對比分析，本實(shí)施例仿真模型的負(fù)載電感為400uh，直流輸入電壓為400v，輔助三極管npn、pnp分別選擇高功率密度、低飽和壓降、高阻斷壓降的中等功率三極管zxtn25100bfhta和zxtp25100bfhta，輔助二極管選擇低導(dǎo)通壓降、快反向恢復(fù)特性的肖基特二極管1n5819hw-7-f，光耦隔離芯片選擇具有快轉(zhuǎn)換速率的acpl-4800，驅(qū)動(dòng)芯片選擇具有較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的ixdn609，對比結(jié)果如圖8、圖9所示。根據(jù)波形可知：傳統(tǒng)無輔助電路的驅(qū)動(dòng)方法，sicmosfet會(huì)出現(xiàn)橋臂串聯(lián)現(xiàn)象，典型抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)和本發(fā)明提出的改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)能有效橋臂抑制串?dāng)_問題；相比典型抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路，改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路在抑制串?dāng)_的同時(shí)，qh開通延時(shí)時(shí)間降低了77.6％，關(guān)斷延時(shí)時(shí)間降低了65.2％，開關(guān)總損耗降低了32.2％。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同工作條件下本發(fā)明提出的改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路有效性，本實(shí)施例還搭建了雙脈沖測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在不同驅(qū)動(dòng)電阻，不同輸入電壓、不同負(fù)載電流情況下對改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驗(yàn)證，并與典型抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖10、11、12所示，根據(jù)該結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1)典型抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)和本發(fā)明提出的改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路能有效橋臂抑制串?dāng)_問題。

2)無論是典型抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路還是本發(fā)明提出的改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路，sicmosfet開關(guān)損耗都會(huì)隨驅(qū)動(dòng)電阻、輸入電壓、負(fù)載電流的增大而增加；而sicmosfet開關(guān)延時(shí)則受輸入電壓與負(fù)載電流的影響較小，但也會(huì)隨驅(qū)動(dòng)電阻增大而增加。

3)相比典型抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路，本發(fā)明提出改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路能有效降低開關(guān)延時(shí)時(shí)間與開關(guān)損耗，且隨著驅(qū)動(dòng)電阻、輸入電壓、負(fù)載電流的增大，降低sicmosfet開關(guān)損耗的效果更為明顯，進(jìn)一步說明本發(fā)明提出的改進(jìn)抑制串?dāng)_驅(qū)動(dòng)電路在抑制串?dāng)_和提高開關(guān)特性方面更具有優(yōu)勢。

最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。