栅极保护电路和电力电子设备的制作方法

本发明涉及栅极保护电路技术领域，具体而言，涉及一种栅极保护电路和一种电力电子设备。

背景技术：

智能功率模块，即IPM(Intelligent Power Module)，是一种将电力电子和集成电路技术结合的功率驱动器件(Deriver Integrated Circuit，即Driver IC)。由于具有高集成度、高可靠性等优势，智能功率模块赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器及各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服驱动和变频家电常用的电力电子器件。

以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带材料应用到半导体器件中，尤其是电力电子设备的驱动芯片(Deriver Integrated Circuit，即Driver IC)中，由于其禁带宽度和击穿场强远高于硅材料半导体器件。

相关技术中，驱动芯片Driver IC的主流驱动保护电路包括以下两种，如图1A，在驱动芯片Driver IC的外侧设置保护电阻R1，对栅极(图1A中所示的Gate端)的驱动信号进行限流处理，或如图1B所示，在驱动芯片Driver IC的内侧设置保护电阻R2，对栅极(图1B中所示的Gate端)的驱动信号进行限流处理。

但是，在相同的耐压负载下，宽禁带材料MOSFET的寄生电容远小于硅材料半导体器件，其对驱动电路的寄生参数更加敏感，更适于在-2～+20V的驱动电压下工作，而硅材料半导体器件适于在0-15V的驱动电压下工作，电压U_GS(栅极和源极之间的电压)变为负值时，栅源两端的氧化层电容会增大，这会增加MOSFET开通及关断时所需的电荷量，从而影响开关速度。故完全套用硅材料半导体器件的驱动方式，来驱动宽禁带材料MOSFET是不合理的。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出了一种栅极保护电路。

本发明的另一个目的在于提出了一种电力电子设备。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例，提出了一种栅极保护电路，包括：主传输线路，连接于栅极驱动模块和MOS管的栅极之间；参考模块，用于生成参考信号；比较模块，比较模块的两个输入端分别连接至栅极驱动模块和参考模块，用于对栅极驱动信号与参考信号进行比较；稳压模块，连接于主传输线路的输出端与地线之间，稳压模块的驱动端连接于比较模块的输出端，其中，在栅极驱动信号大于或等于参考信号时，比较模块向稳压模块输出导通信号，以控制稳压模块导通，稳压模块的向MOS管的栅极输出一个钳位电压信号，钳位电压信号小于栅极驱动信号。

根据本发明的实施例的栅极保护电路，通过在栅极保护电路中设置参考模块、比较模块和稳压模块，并且在栅极驱动信号大于或等于参考信号时，比较模块向稳压模块输出导通信号，以控制稳压模块导通，稳压模块向MOS管的栅极输出一个钳位电压信号，通过参考模块输出可调的参考信号，适用于各种驱动电路的栅极驱动保护，将驱动IC内部过压保护与外部电路过压保护结合，也即通过采用主动压控驱动的模式，最大程度降低栅极保护电路因栅极过压失效，提高智能功率模块的可靠性，与此同时，整个驱动电路附加的具备了优化MOSFET参数的功能，尤其对发挥宽禁带器件的优势提供了强有力的支撑。

值得特别指出的是，上述栅极保护电路并不限于宽禁带MOSFET，通过调节参考模块输出的参考信号，同样适用于硅基半导体器件的栅极驱动保护方案中。

根据本发明的上述实施例的栅极保护电路，还可以具有以下技术特征：

优选地，稳压模块包括：串联连接的压控开关和稳压二极管组件，压控开关的驱动端连接至比较模块的输出端，在压控开关的驱动端接收到导通信号时，压控开关导通，稳压模块向MOS管的栅极输出钳位电压信号，其中，稳压二极管组件包括一组串联对接的第一稳压二极管和第二稳压二极管。

根据本发明的实施例的栅极保护电路，通过在压控开关的驱动端接收到导通信号时，压控开关导通，第一稳压二极管和第二稳压二极管中的一个在反向电压击穿后，负载的电压为一个固定值X，第一稳压二极管和第二稳压二极管中的另一个的正向导通电压通常为0.7V电压，因此，稳压二极管组件将稳压模块输出的电压钳位为(X+0.7)V，也即输出至MOS管的栅极的钳位电压为(X+0.7)V。

具体地，在比较模块判定栅极驱动信号大于或等于参考信号时，MOS管的栅极存在过压失效的危险，因此，通过比较模块输出导通信号控制压控开关导通，压控开关的导通电压一般为固定值，因此，稳压二极管组件将稳压模块的输出电压钳位为(X+0.7)V，并且小于栅极驱动信号，降低了MOS管因栅极的电压值过高而被击穿的可能性。

优选地，压控开关为三极管时，驱动端为三极管的基极。

优选地，压控开关为MOS管时，驱动端为MOS管的栅极。

优选地，比较模块包括：比较器，比较器的正输入端连接至栅极驱动模块，以获取栅极驱动信号，比较器的负输入端连接至参考模块，以获取参考信号；三极管为NPN型三极管，比较器的输出端连接至NPN型三极管的基极，其中，在比较器判定栅极驱动信号大于或等于参考模块时，比较器的输出端输出高电平信号，即作为导通信号以控制NPN型三极管导通。

根据本发明的实施例的栅极保护电路，通过在比较模块中设置比较器和NPN型三极管，并且在比较器判定栅极驱动信号大于或等于参考模块时，比较器的输出端输出高电平信号，即作为导通信号以控制NPN型三极管导通，稳压二极管组件将稳压模块的输出电压钳位为(X+0.7)V，并且小于栅极驱动信号，降低了MOS管因栅极的电压值过高而被击穿的可能性。

优选地，比较模块包括：比较器，比较器的正输入端连接至栅极驱动模块，以获取栅极驱动信号，比较器的负输入端连接至参考模块，以获取参考信号；MOS管为P沟道MOS管，比较器的输出端连接至P沟道MOS管的栅极，其中，在比较器判定栅极驱动信号大于或等于参考模块时，比较器的输出端输出高电平信号，即作为导通信号以控制P沟道MOS管导通。

根据本发明的实施例的栅极保护电路，通过在比较模块中设置比较器和P沟道MOS管，并且在比较器判定栅极驱动信号大于或等于参考模块时，比较器的输出端输出高电平信号，即作为导通信号以控制P沟道MOS管导通，稳压二极管组件将稳压模块的输出电压钳位为(X+0.7)V，并且小于栅极驱动信号，降低了MOS管因栅极的电压值过高而被击穿的可能性。

优选地，在比较模块判定栅极驱动信号小于参考信号时，比较模块向稳压模块输出关断信号，以控制稳压模块关断，栅极驱动信号通过主传输线路传输至MOS管的栅极。

根据本发明的实施例的栅极保护电路，通过在比较模块判定栅极驱动信号小于参考信号时，比较模块向稳压模块输出关断信号，以控制稳压模块关断，栅极驱动信号通过主传输线路传输至MOS管的栅极，也即在栅极驱动信号属于工作范围时，稳压模块不工作，直接将栅极驱动信号输出至MOS管的栅极，以保证MOS管正常导通或关断。

优选地，栅极驱动模块还包括：驱动信号发生器，用于生成栅极驱动信号；内置保护电阻，连接至驱动信号发生器和栅极驱动模块的输出端。

根据本发明的实施例的栅极保护电路，通过将内置保护电阻设于驱动信号发生器和栅极驱动模块的输出端之间，对MOS管的栅极电流进行限流处理，降低MOS管被热击穿的可能性。

优选地，主传输线路还设有外置保护电阻，外置保护电阻串联于内置保护电阻和MOS管的栅极之间。

根据本发明的实施例的栅极保护电路，通过外置保护电阻串联于内置保护电阻和MOS管的栅极之间，进一步地降低主传输线路的电流，进一步地对MOS管的栅极电流进行限流处理，进而降低MOS管被热击穿的可能性。

优选地，MOS管为氮化镓MOSFET器件或碳化硅MOSFET器件。

优选地，参考模块包括：串联连接的电阻元件和第三稳压二极管，串联连接于直流源和地线之间，电阻元件和第三稳压二极管的公共端作为参考模块的输出端，连接至稳压模块的驱动端。

根据本发明的第二方面的实施例，提出了一种电力电子设备，包括如上述第一方面中的任一项所述的栅极保护电路。

优选地，电力电子设备为空调器。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1A示出了现有技术中的驱动保护电路的一个实施例的示意图；

图1B示出了现有技术中的驱动保护电路的另一个实施例的示意图；

图2示出了根据本发明的实施例的栅极保护电路的示意图；

图3示出了根据本发明的实施例的电力电子设备的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图2示出了根据本发明的实施例的栅极保护电路的示意图。

如图2所示，根据本发明的实施例的栅极保护电路200，包括：主传输线路，连接于栅极驱动模块和MOS管的栅极Gate之间；参考模块202，用于生成参考信号；比较模块204，比较模块204的两个输入端分别连接至栅极驱动模块和参考模块202，用于对栅极驱动信号与参考信号进行比较；稳压模块206，连接于主传输线路的输出端与地线之间，稳压模块206的驱动端连接于比较模块204的输出端，其中，在栅极驱动信号大于或等于参考信号时，比较模块204向稳压模块206输出导通信号，以控制稳压模块206导通，稳压模块206的向MOS管的栅极Gate输出一个钳位电压信号，钳位电压信号小于栅极驱动信号。

根据本发明的实施例的栅极保护电路200，通过在栅极保护电路200中设置参考模块202、比较模块204和稳压模块206，并且在栅极驱动信号大于或等于参考信号时，比较模块204向稳压模块206输出导通信号，以控制稳压模块206导通，稳压模块206向MOS管的栅极Gate输出一个钳位电压信号，通过参考模块202输出可调的参考信号，适用于各种驱动电路的栅极驱动保护，将驱动IC内部过压保护与外部电路过压保护结合，也即通过采用主动压控驱动的模式，最大程度降低栅极保护电路200因栅极过压失效，提高智能功率模块IC的可靠性，与此同时，整个驱动电路附加的具备了优化MOSFET参数的功能，尤其对发挥宽禁带器件的优势提供了强有力的支撑。

值得特别指出的是，上述栅极保护电路200并不限于宽禁带MOSFET，通过调节参考模块202输出的参考信号，同样适用于硅基半导体器件的栅极驱动保护方案中。

根据本发明的上述实施例的栅极保护电路200，还可以具有以下技术特征：

优选地，稳压模块206包括：串联连接的压控开关S和稳压二极管组件，压控开关S的驱动端连接至比较模块204的输出端，在压控开关S的驱动端接收到导通信号时，压控开关S导通，稳压模块206向MOS管的栅极Gate输出钳位电压信号，其中，稳压二极管组件包括一组串联对接的第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2。

根据本发明的实施例的栅极保护电路200，通过在压控开关S的驱动端接收到导通信号时，压控开关S导通，第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2中的一个在反向电压击穿后，负载的电压为一个固定值X，第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2中的另一个的正向导通电压通常为0.7V电压，因此，稳压二极管组件将稳压模块206输出的电压钳位为(X+0.7)V，也即输出至MOS管的栅极Gate的钳位电压为(X+0.7)V。

具体地，在比较模块204判定栅极驱动信号大于或等于参考信号时，MOS管的栅极Gate存在过压失效的危险，因此，通过比较模块204输出导通信号控制压控开关S导通，压控开关S的导通电压一般为固定值，因此，稳压二极管组件将稳压模块206的输出电压钳位为(X+0.7)V，并且小于栅极驱动信号，降低了MOS管因栅极的电压值过高而被击穿的可能性。

优选地，压控开关S为三极管时，驱动端为三极管的基极。

优选地，压控开关S为MOS管时，驱动端为MOS管的栅极Gate。

优选地，比较模块204包括：比较器，比较器的正输入端连接至栅极驱动模块，以获取栅极驱动信号，比较器的负输入端连接至参考模块202，以获取参考信号；三极管为NPN型三极管，比较器的输出端连接至NPN型三极管的基极，其中，在比较器判定栅极驱动信号大于或等于参考模块202时，比较器的输出端输出高电平信号，即作为导通信号以控制NPN型三极管导通。

根据本发明的实施例的栅极保护电路200，通过在比较模块204中设置比较器和NPN型三极管，并且在比较器判定栅极驱动信号大于或等于参考模块202时，比较器的输出端输出高电平信号，即作为导通信号以控制NPN型三极管导通，稳压二极管组件将稳压模块206的输出电压钳位为(X+0.7)V，并且小于栅极驱动信号，降低了MOS管因栅极的电压值过高而被击穿的可能性。

优选地，比较模块204包括：比较器，比较器的正输入端连接至栅极驱动模块，以获取栅极驱动信号，比较器的负输入端连接至参考模块202，以获取参考信号；MOS管为P沟道MOS管，比较器的输出端连接至P沟道MOS管的栅极Gate，其中，在比较器判定栅极驱动信号大于或等于参考模块202时，比较器的输出端输出高电平信号，即作为导通信号以控制P沟道MOS管导通。

根据本发明的实施例的栅极保护电路200，通过在比较模块204中设置比较器和P沟道MOS管，并且在比较器判定栅极驱动信号大于或等于参考模块202时，比较器的输出端输出高电平信号，即作为导通信号以控制P沟道MOS管导通，稳压二极管组件将稳压模块206的输出电压钳位为(X+0.7)V，并且小于栅极驱动信号，降低了MOS管因栅极的电压值过高而被击穿的可能性。

优选地，在比较模块204判定栅极驱动信号小于参考信号时，比较模块204向稳压模块206输出关断信号，以控制稳压模块206关断，栅极驱动信号通过主传输线路传输至MOS管的栅极Gate。

根据本发明的实施例的栅极保护电路200，通过在比较模块204判定栅极驱动信号小于参考信号时，比较模块204向稳压模块206输出关断信号，以控制稳压模块206关断，栅极驱动信号通过主传输线路传输至MOS管的栅极Gate，也即在栅极驱动信号属于工作范围时，稳压模块206不工作，直接将栅极驱动信号输出至MOS管的栅极Gate，以保证MOS管正常导通或关断。

优选地，栅极驱动模块还包括：驱动信号发生器，用于生成栅极驱动信号；内置保护电阻R2，连接至驱动信号发生器和栅极驱动模块的输出端。

根据本发明的实施例的栅极保护电路200，通过将内置保护电阻R2设于驱动信号发生器和栅极驱动模块的输出端之间，对MOS管的栅极Gate电流进行限流处理，降低MOS管被热击穿的可能性。

优选地，主传输线路还设有外置保护电阻R1，外置保护电阻R1串联于内置保护电阻R2和MOS管的栅极Gate之间。

根据本发明的实施例的栅极保护电路200，通过外置保护电阻R1串联于内置保护电阻R2和MOS管的栅极Gate之间，进一步地降低主传输线路的电流，进一步地对MOS管的栅极Gate电流进行限流处理，进而降低MOS管被热击穿的可能性。

优选地，MOS管为氮化镓MOSFET器件或碳化硅MOSFET器件。

优选地，参考模块202包括：串联连接的电阻元件R3和第三稳压二极管D3，串联连接于直流源和地线之间，电阻元件R3和第三稳压二极管D3的公共端作为参考模块202的输出端，连接至稳压模块206的驱动端。

根据本发明的电力电子设备的实施例：

图3示出了根据本发明的实施例的电力电子设备的示意图。

如图3所示，根据本发明的实施例的电力电子设备包括一个智能功率模块(下文简称Driver IC)，栅极驱动接口为Drive IC的HO1接口、HO2接口、HO3接口、LO1接口、LO2接口和LO3接口。

根据本发明的一个实施例，三个上桥臂功率器件包括第一功率器件MOSFET1、第二功率器件MOSFET2和第三功率器件MOSFET3，三个下桥臂功率器件包括第四功率器件MOSFET4、第五功率器件MOSFET5和第六功率器件MOSFET6，第一类氮化镓二极管包括第一氮化镓二极管D1、第二氮化镓二极管D2和第三氮化镓二极管D3，第二类氮化镓二极管包括第四氮化镓二极管D4、第五氮化镓二极管D5和第六氮化镓二极管D6，其中，任一上桥臂功率器件的漏极连接至对应序号的第一类氮化镓二极管的阴极，任一上桥臂功率器件的源极连接至对应序号的第一类氮化镓二极管的阳极，任一下桥臂功率器件的漏极连接至对应序号的第二类氮化镓二极管的阴极，任一下桥臂功率器件的源极连接至对应序号的第二类氮化镓二极管的阳极。

根据本发明的一个实施例，还包括：第七功率器件MOSFET7，第七功率器件MOSFET7的栅极连接至驱动集成单元(如图3所示的Driver IC)的PFCOUT接口；第七氮化镓二极管D7，第七氮化镓二极管D7的阴极连接至第七功率器件MOSFET7的漏极，第七氮化镓二极管D7的阳极连接至第七功率器件MOSFET7的源极；第八氮化镓二极管D8，第八氮化镓二极管D8的阴极连接至外设的给逆变开关单元供电的高压源的正极(如图3所示的VCC1将通过外部电路连接到VCC2)，第八氮化镓二极管D8的阳极连接至第七功率器件MOSFET7的漏极，其中，第七功率器件MOSFET7的漏极连接至外设的直流电源正极，第七功率器件MOSFET7的源极连接至外设的直流电源负极和给逆变开关单元供电的高压源的负极(如图3所示的-VCC将通过外部电路连接到U-、V-、W-)。

根据本发明的实施例的栅极保护电路，通过设置第七功率器件MOSFET7的栅极连接至驱动集成单元(如图3所示的Driver IC)的对应的栅极驱动接口(如图3所示的Driver IC的PFCOUT接口)，第七氮化镓二极管D7的阴极连接至第七功率器件MOSFET7的漏极，第七氮化镓二极管D7的阳极连接至第七功率器件MOSFET7的源极，第八氮化镓二极管D8的阴极连接至外设的给逆变开关单元供电的高压源的正极(如图3所示的VCC1将通过外部电路连接到VCC2)，第八氮化镓二极管D8的阳极连接至第七功率器件MOSFET7的漏极，作为功率因素校准单元PFC(Power Factor Correction，PFC)，在保证低功耗、低开通时间和低电流噪声的电机驱动的同时，提升了功率的稳定性和可靠性。

根据本发明的一个实施例，第一功率器件MOSFET1、第二功率器件MOSFET2和第三功率器件MOSFET3的漏极均连接至外设的高压源正极，第四功率器件MOSFET4、第五功率器件MOSFET5和第六功率器件MOSFET6的源极均连接至外设的高压源负极，第一功率器件MOSFET1的源极连接至第四功率器件MOSFET4的漏极，第二功率器件MOSFET2的源极连接至第五功率器件MOSFET5的漏极，第三功率器件MOSFET3的源极连接至第六功率器件MOSFET6的漏极，其中，第一功率器件MOSFET1的源极(如图3所示的U/VS1)连接至外设的电机U相接口，第二功率器件MOSFET2的源极(如图3所示的V/VS2)连接至外设的电机V相接口，第三功率器件MOSFET3的源极(如图3所示的W/VS3)连接至外设的电机W相接口。

根据本发明的一个实施例，栅极驱动接口(如图3所示的Drive IC的HO1接口、HO2接口、HO3接口、LO1接口、LO2接口、LO3接口和PFCOUT接口)包括第一驱动接口、第二驱动接口、第三驱动接口、第四驱动接口、第五驱动接口、第六驱动接口和第七驱动接口，栅极保护电路包括：第一栅极保护电路200，连接于第一功率器件MOSFET1的栅极与第一驱动接口HO1之间，第二栅极保护电路200，连接于第二功率器件MOSFET2的栅极与第二驱动接口HO2之间，第三栅极保护电路200，连接于第三功率器件MOSFET3的栅极与第三驱动接口HO3之间，第四栅极保护电路200，连接于第四功率器件MOSFET4的栅极与第四驱动接口LO1之间，第五栅极保护电路200，连接于第五功率器件MOSFET5的栅极与第五驱动接口LO2之间，第六栅极保护电路200，连接于第六功率器件MOSFET6的栅极与第六驱动接口LO3之间，第七栅极保护电路200，连接于第七功率器件MOSFET7的栅极与第七驱动接口PFCOUT之间。

根据本发明的实施例的栅极保护电路，通过在栅极保护电路中设置参考模块、比较模块和稳压模块，并且在栅极驱动信号大于或等于参考信号时，比较模块向稳压模块输出导通信号，以控制稳压模块导通，稳压模块向MOS管的栅极输出一个钳位电压信号，通过参考模块输出可调的参考信号，适用于各种驱动电路的栅极驱动保护，将驱动IC内部过压保护与外部电路过压保护结合，也即通过采用主动压控驱动的模式，最大程度降低栅极保护电路因栅极过压失效，提高智能功率模块的可靠性，与此同时，整个驱动电路附加的具备了优化MOSFET参数的功能，尤其对发挥宽禁带器件的优势提供了强有力的支撑。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，考虑到相关技术中提出的如何降低驱动芯片中栅极被击穿的可能性，本发明提出了一种适用于不同种类MOSFET的栅极保护电路，通过在栅极保护电路中设置参考模块、比较模块和稳压模块，并且在栅极驱动信号大于或等于参考信号时，比较模块向稳压模块输出导通信号，以控制稳压模块导通，稳压模块向MOS管的栅极输出一个钳位电压信号，通过参考模块输出可调的参考信号，适用于各种驱动电路的栅极驱动保护，将驱动IC内部过压保护与外部电路过压保护结合，也即通过采用主动压控驱动的模式，最大程度降低栅极保护电路因栅极过压失效，提高智能功率模块的可靠性，与此同时，整个驱动电路附加的具备了优化MOSFET参数的功能，尤其对发挥宽禁带器件的优势提供了强有力的支撑。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。