本發(fā)明涉及半導(dǎo)體開關(guān)電路，尤其涉及一種sic?mosfet驅(qū)動電路及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、作為傳統(tǒng)硅基器件的替代品，碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（sicmosfet）具有更快的開關(guān)速度、更低的導(dǎo)通損耗和更高的阻斷電壓等優(yōu)勢，有望顯著提高電能變換裝置的效率和功率密度。柵極驅(qū)動直接影響開關(guān)器件的運(yùn)行狀態(tài)，好的柵極驅(qū)動不僅能為開關(guān)器件的安全運(yùn)行提供有力保障，還可以有效降低器件產(chǎn)生的開關(guān)損耗和電磁干擾，有效提升電能變換裝置的性能。典型的柵極驅(qū)動工作原理為：利用電壓源和柵極電阻對sic?mosfet的輸入電容進(jìn)行充電和放電，實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷控制。由于存在寄生電容和雜散電感，sic?mosfet在導(dǎo)通和關(guān)斷過程則會出現(xiàn)明顯的電流過沖和電流過沖。一旦過沖電流和過沖電壓越過sic?mosfet的安全工作區(qū)（safe?operating?area,soa），即電流閾值和電壓閾值，sic?mosfet則會出現(xiàn)老化，嚴(yán)重時(shí)會對開關(guān)器件造成不可逆的損壞，進(jìn)而對整個電路系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅。

2、傳統(tǒng)柵極驅(qū)動（conventional?gate?driver，cgd）采用固定柵極電阻來驅(qū)動開關(guān)器件，所以為抑制電壓和電流過沖，cgd只能將較小的柵極電阻替換為較大的電阻。這種方法將導(dǎo)致較長的開關(guān)延時(shí)，較慢的開關(guān)速度，以及較大的開關(guān)損耗。為了更好的權(quán)衡過沖和損耗，有源柵極驅(qū)動（active?gate?drivers，agd）應(yīng)運(yùn)而生。由電感構(gòu)成的電流源驅(qū)動為準(zhǔn)確控制電感預(yù)充電過程，需要2個以上的控制開關(guān)，以及多路控制信號。而電流鏡構(gòu)成的電流源驅(qū)動雖然控制過程較為簡單，但需要更多的控制開關(guān)，電路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。為了在極短暫的開關(guān)階段實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的閉環(huán)控制，開關(guān)狀態(tài)檢測電路和反饋電路需使用帶寬很高的模擬器件和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，這大大增加了有源柵極驅(qū)動的制造成本。在直流母線電壓或負(fù)載電流隨時(shí)間變化較大的應(yīng)用中，如風(fēng)力發(fā)電，在每個開關(guān)周期中開關(guān)器件的電壓和電流過沖將不同。如果在較低的電壓或電流情況下，兩者的過沖遠(yuǎn)低于soa的閾值，用于抑制電壓或電流過沖的agd的固定控制參數(shù)會造成不必要的開關(guān)損耗。因此，對于有源柵極驅(qū)動的sicmosfet驅(qū)動電路，如何避免使用高速模擬器件，降低硬件成本，以及權(quán)衡電壓和電流過沖和開關(guān)損耗，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種sic?mosfet驅(qū)動電路及其控制方法，用于解決有源柵極驅(qū)動的sic?mosfet驅(qū)動電路硬件成本高和難以權(quán)衡電壓電流過沖和開關(guān)損耗的技術(shù)問題。

2、有鑒于此，本發(fā)明第一方面提供了一種sic?mosfet驅(qū)動電路，包括有源電流源驅(qū)動電路、sic?mosfet、負(fù)載電流檢測電路、漏源極間電壓過沖檢測電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和fpga模塊；

3、所述有源電流源驅(qū)動電路的輸出與所述sic?mosfet的柵極連接；

4、所述負(fù)載電流檢測電路與所述sic?mosfet連接，用于檢測流過所述sic?mosfet的漏源電流，輸出與所述sic?mosfet的漏源電流對應(yīng)的電壓信號；

5、所述漏源極間電壓過沖檢測電路與所述sic?mosfet連接，用于檢測所述sicmosfet的漏源過沖電壓；

6、所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端分別與所述負(fù)載電流檢測電路和所述漏源極間電壓過沖檢測電路的輸出端連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與所述fpga模塊的輸入端連接；

7、所述fpga模塊內(nèi)置pwm單元和數(shù)字控制器，所述pwm單元的輸出端與所述有源電流源驅(qū)動電路的pwm信號輸入端連接，所述pwm單元用于生成控制所述有源電流源驅(qū)動電路開通或關(guān)斷的pwm信號和根據(jù)所述pwm信號生成控制所述漏源極間電壓過沖檢測電路復(fù)位的復(fù)位信號，所述數(shù)字控制器內(nèi)置自適應(yīng)調(diào)整算法，所述自適應(yīng)調(diào)整算法用于根據(jù)所述負(fù)載電流檢測電路和所述漏源極間電壓過沖檢測電路的輸出，控制所述有源電流源驅(qū)動電路的輸出給所述sic?mosfet的柵極電流大小。

8、可選地，所述有源電流源驅(qū)動電路包括電壓源、pnp三極管、npn三極管、可調(diào)導(dǎo)通電阻和可調(diào)關(guān)斷電阻；

9、所述pnp三極管的發(fā)射極和所述npn三極管的發(fā)射極并聯(lián)，所述pnp三極管的集電極和所述npn三極管的集電極并聯(lián)；

10、所述電壓源的正極與所述pnp三極管和所述npn三極管的發(fā)射極連接端連接，所述電壓源的負(fù)極與所述sic?mosfet的開爾文源極連接；

11、所述pnp三極管和所述npn三極管的集電極連接端與所述sic?mosfet的柵極連接；

12、所述pnp三極管的基極與所述可調(diào)導(dǎo)通電阻的一端連接，所述npn三極管的基極與所述可調(diào)關(guān)斷電阻的一端連接，所述可調(diào)導(dǎo)通電阻的另一端和所述可調(diào)關(guān)斷電阻的另一端連接并共同連接至所述sic?mosfet的開爾文源極。

13、可選地，所述可調(diào)導(dǎo)通電阻包括若干個并聯(lián)的不同阻值的導(dǎo)通電阻，每個所述導(dǎo)通電阻串聯(lián)一個第一模擬開關(guān)，所有所述導(dǎo)通電阻的一端共連，所有所述第一模擬開關(guān)的一端共連。

14、可選地，所述可調(diào)關(guān)斷電阻包括若干個并聯(lián)的不同阻值的關(guān)斷電阻，每個所述關(guān)斷電阻串聯(lián)一個第二模擬開關(guān)，所有所述關(guān)斷電阻的一端共連，所有所述第二模擬開關(guān)的一端共連。

15、可選地，所述自適應(yīng)調(diào)整算法具體用于：

16、將所述漏源極間電壓過沖檢測電路的輸出與過沖電壓下限比較，若所述漏源極間電壓過沖檢測電路的輸出小于所述過沖電壓下限，則通過減小所述可調(diào)關(guān)斷電阻來調(diào)整所述sic?mosfet的柵極電流，若所述漏源極間電壓過沖檢測電路的輸出大于所述過沖電壓下限而小于過沖電壓上限，則不調(diào)整所述可調(diào)關(guān)斷電阻，若所述漏源極間電壓過沖檢測電路的輸出大于所述過沖電壓上限，則通過增加所述可調(diào)關(guān)斷電阻來調(diào)整所述sic?mosfet的柵極電流；

17、將所述負(fù)載電流檢測電路輸出的負(fù)載電流劃分為若干個電流區(qū)間，每個電流區(qū)間對應(yīng)一個電阻值，根據(jù)所述負(fù)載電流檢測電路輸出的負(fù)載電流所落入的電流區(qū)間，調(diào)整所述可調(diào)導(dǎo)通電阻的阻值至所述負(fù)載電流檢測電路輸出的負(fù)載電流所落入的電流區(qū)間對應(yīng)的電阻值。

18、可選地，所述漏源極間電壓過沖檢測電路包括過沖探測電路和減法電路；

19、所述過沖探測電路包括二極管、電容、復(fù)位開關(guān)和限流電阻，所述二極管的陽極與所述sic?mosfet的漏極連接，所述二極管的陰極與所述電容的一端連接，所述電容的另一端與所述sic?mosfet的源極連接，所述復(fù)位開關(guān)的一端與所述二極管的陰極連接，所述復(fù)位開關(guān)的另一端與所述限流電阻的一端連接，所述限流電阻的另一端與直流母線連接；

20、所述減法電路包括第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻和運(yùn)算放大器，所述第一電阻的一端與所述二極管的陰極連接，所述第一電阻的另一端與所述運(yùn)算放大器的同相輸入端連接，所述第二電阻的一端與所述運(yùn)算放大器的同相輸入端連接，所述第二電阻的另一端接地，所述第三電阻的一端與所述二極管的陽極連接，所述第三電阻的另一端與所述運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，所述第四電阻的一端與所述運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，所述第四電阻的另一端與所述運(yùn)算放大器的輸出端連接。

21、可選地，所述負(fù)載電流檢測電路為霍爾電流傳感器。

22、可選地，所述pwm單元在所述pwm信號由低電平轉(zhuǎn)換為高電平時(shí)，生成控制所述漏源極間電壓過沖檢測電路復(fù)位的復(fù)位信號；

23、可選地，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括第一adc芯片和第二adc芯片；

24、所述第一adc芯片的輸入端與所述漏源極間電壓過沖檢測電路的輸出端連接，所述第一adc芯片的輸出端與所述數(shù)字控制器的第一輸入端連接；

25、所述第二adc芯片的輸入端與所述負(fù)載電流檢測電路的輸出端連接，所述第二adc芯片的輸出端所述數(shù)字控制器的第二輸入端連接。

26、可選地，所述有源電流源驅(qū)動電路在所述pnp三極管導(dǎo)通時(shí)，輸出的電流為：

27、

28、其中，為有源電流源驅(qū)動電路的輸出電流，為pnp三極管的電流增益，為電壓源的輸出電壓，為pnp三極管的基極射極之間的壓降，為可調(diào)導(dǎo)通電阻。

29、可選地，所述有源電流源驅(qū)動電路在所述npn三極管導(dǎo)通時(shí)，輸出的電流為：

30、

31、其中，為有源電流源驅(qū)動電路的輸出電流，為npn三極管的電流增益，為電壓源的輸出電壓，為npn三極管的基極射極之間的壓降，為可調(diào)關(guān)斷電阻。

32、本發(fā)明第二方面提供了一種應(yīng)用于本發(fā)明第一方面任一種所述的sic?mosfet驅(qū)動電路的控制方法，包括：

33、所述fpga模塊生成控制所述有源電流源驅(qū)動電路開通或關(guān)斷的pwm信號；

34、所述fpga模塊獲取所述負(fù)載電流檢測電路的輸出或所述漏源極間電壓過沖檢測電路的輸出；

35、所述fpga模塊根據(jù)所述負(fù)載電流檢測電路輸出的負(fù)載電流或所述漏源極間電壓過沖檢測電路輸出的過沖電壓，控制所述有源電流源驅(qū)動電路的輸出給所述sic?mosfet的柵極電流大小；

36、所述fpga模塊根據(jù)所述pwm信號判斷是否生成控制所述漏源極間電壓過沖檢測電路復(fù)位的復(fù)位信號，若是，則生成控制所述漏源極間電壓過沖檢測電路復(fù)位的復(fù)位信號并將所述復(fù)位信號發(fā)送至所述漏源極間電壓過沖檢測電路。

37、從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的sic?mosfet驅(qū)動電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：

38、本發(fā)明提供的sic?mosfet驅(qū)動電路，包括有源電流源驅(qū)動電路、sic?mosfet、負(fù)載電流檢測電路、漏源極間電壓過沖檢測電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和fpga模塊，fpga模塊內(nèi)置自適應(yīng)調(diào)整算法。負(fù)載電流檢測電路和漏源極間電壓過沖檢測電路對實(shí)時(shí)性要求較低，避免了使用高速模擬器件，降低了硬件設(shè)計(jì)成本，自適應(yīng)調(diào)整算法可以根據(jù)負(fù)載電流檢測電路和漏源極間電壓過沖檢測電路的輸出，對sic?mosfet柵極驅(qū)動參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而自適應(yīng)權(quán)衡過沖和開關(guān)損耗，保證sic?mosfet安全運(yùn)行。解決了有源柵極驅(qū)動的sic?mosfet驅(qū)動電路硬件成本高和難以權(quán)衡電壓電流過沖和開關(guān)損耗的技術(shù)問題。

39、同時(shí)，本發(fā)明提供的sic?mosfet驅(qū)動電路，利用電壓源與由pnp三極管和npn三極管并聯(lián)而成的并聯(lián)三極管構(gòu)成的電流源驅(qū)動，結(jié)構(gòu)和控制方式較為簡單，產(chǎn)生的柵極電流更為恒定，可以實(shí)現(xiàn)sic?mosfet快速開通和關(guān)斷，更好地權(quán)衡過沖和開關(guān)損耗。