一种混合门极驱动电路

1.本公开属于电力电子技术领域，具体涉及一种混合门极驱动电路。


背景技术：

2.碳化硅功率器件驱动集成芯片应用硅基mosfet(金属-氧化物半导体场效应晶体管)，针对过电压、低压、过电流等不安全工况均设计了检测以及保护电路，这些驱动芯片的开关频率能够达到几百khz，可以满足sic mosfet对高频工作的需求。但是，这些集成芯片运行温度不能超过150℃，在高于150c的工作条件下，芯片内部的元器件开关特性会受到严重影响，不能满足高温时的性能要求。如果在高温时使用集成芯片驱动sic mosfet，将会由于驱动问题限制sic mosfet在高温环境的应用。而且目前在市场上也没有性能优良的碳化硅基集成芯片，在高温环境下的芯片主要使用绝缘体上硅技术，但是这种芯片价格十分昂贵，是碳化硅功率器件价格的数倍，使得驱动电路的成本大大提高，因此需要对碳化硅功率器件高温驱动条件进行改善。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开的目在于提供一种能够避免集成芯片高温带来的不利影响，开通过程电压驱动，关断过程电流驱动，使开关损耗随着温度上升减小的更多、更快，提升了mosfet的效率和可靠性的混合门极驱动电路。
4.为了实现本公开的目的，本公开所采用的技术方案如下：
5.一种混合门极驱动电路，包括：
6.mosfet器件，作为开通或关断外部电路的执行元件；
7.与mosfet器件连接的开通关断电路，能够接收开通信号和关断信号，根据所述开通信号以电压源驱动的方式开通所述mosfet器件，根据所述关断信号以电流源驱动的方式关断所述mosfet器件；
8.与开通关断电路连接的信号输入电路，能够向所述开通关断电路发送所述开通信号或所述关断信号；
9.供电电路，用于向所述mosfet器件、所述开通关断电路和所述信号输入电路供电。
10.可选地，所述开通关断电路包括：
11.开通电路，所述信号输入电路通过所述开通电路与所述mosfet器件连接，所述开通电路能够接收所述开通信号并根据所述开通信号以电压源驱动的方式开通所述mosfet器件；
12.关断电路，所述信号输入电路通过所述关断电路与所述mosfet器件连接，所述关断电路能够接收所述关断信号并根据所述关断信号以电流源驱动的方式关断所述mosfet器件。
13.可选地，所述开通电路包括第四三极管、第六三极管和第十二电阻；
14.所述第四三极管的基极与所述信号输入电路的输出端连接，所述第四三极管的发
射极与所述第六三极管的基极连接，所述第四三极管的集电极、所述第六三极管的集电极均与所述供电电路连接，所述第六三极管的发射极通过所述第十二电阻与所述mosfet器件的栅极连接。
15.可选地，所述关断电路包括第五三极管和多个并联的场效应管电路；
16.每个所述场效应管电路均包括保护电阻和场效应管；
17.所述第五三极管的基极与所述信号输入电路的输出端连接，所述第五三极管的集电极接地，所述第五三极管的发射极通过所述保护电阻与所述场效应管的源级连接，所述第五三极管的发射极还与所述场效应管的栅极连接，所述场效应管的漏极与所述mosfet器件的栅极连接。
18.可选地，所述供电电路包括第一电阻、第一二极管、第二二极管、电源vcc、第一供电端和第二供电端；
19.所述电源vcc通过所述第一供电端后分别与所述开通关断电路、所述信号输入电路连接；
20.所述电源vcc依次通过所述第一电阻、所述第一二极管、所述第二供电端后分别与所述信号输入电路、所述mosfet器件连接；
21.所述第二供电端还通过所述第二二极管后接地。
22.可选地，所述信号输入电路包括：
23.发射端电路，能够将控制用模拟信号转换为数字信号；
24.接收端电路，与发射端电路连接，能够接收所述数字信号，并将所述数字信号还原为所述控制用模拟信号；
25.放大电路，与接收端电路连接，用于将所述接收端电路还原的所述控制用模拟信号转化为所述开通信号或关断信号。
26.可选地，放大电路包括第十一电阻与第三三极管；
27.所述供电电路的第一供电端与第十一电阻的一端连接；
28.第三三极管的集电极与第十一电阻的另一端、开通关断电路连接，第三三极管的基极与接收端电路电连接，第三三极管的发射极接地。
29.可选地，所述的发射端电路包括pwm信号发生器、第二电阻、第三电阻和第一变压器；
30.所述pwm信号发生器一端接地，所述pwm信号发生器的另一端通过所述第二电阻后与所述第一变压器的一次绕组的一端连接，所述第一变压器的一次绕组的另一端通过第三电阻后接地，
31.所述第一变压器的二次绕组的一端和另一端均与接收端电路连接。
32.可选地，接收端电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第一三极管和第二三极管；
33.所述信号输入电路的一个输出端分别与所述第四电阻的一端、所述第三二极管的正极连接，所述信号输入电路的另一个输出端分别与所述第五电阻的一端、所述第四二极管的正极连接；
34.所述第一三极管的基极分别与所述第七电阻的一端、所述第三二极管的负极连接，所述第一三极管的集电极分别与所述第六电阻的一端、所述第八电阻的一端连接；
35.所述第二三极管的基极分别与所述第六电阻的另一端、所述第四二极管的负极连接，所述第二三极管的集电极分别与所述第七电阻的另一端、所述第九电阻的一端、所述第十电阻的一端相连，
36.所述第一三极管的发射极、所述第二三极管的发射极、所述第四电阻的另一端、所述第五电阻的另一端均接地；
37.所述第二供电端通过所述第五二极管分别与所述第八电阻的另一端、所述第九电阻的另一端连接；
38.所述第十电阻的另一端与所述放大电路连接。
39.可选地，所述接收端电路还包括第一电容、第二电容和第三电容；
40.所述第五二极管的负极通过所述第一电容接地，所述第二供电端通过所述第二电容后接地，所述第一供电端通过所述第三电容后与所述第二供电端连接。
41.本公开的优点在于，电压源和电流源门极驱动电路驱动下，mosfet器件开通损耗均随温度增加而减小，且相同条件电压源型门极驱动电路驱动mosfet器件开通损耗随温度增加而减小得更快，所以在开通mosfet器件通过电压源驱动的方式，开通损耗相对较低；
42.电压源型门极驱动电路驱动mosfet器件关断损耗具有正温度系数，而电流源型门极驱动mosfet器件关断损耗具有负温度系数；所以在关断mosfet器件通过电流源驱动的方式，关断损耗相对较低；
43.本公开中开通关断电路，能够接收开通信号和关断信号，根据开通信号以电压源驱动的方式开通mosfet器件，根据关断信号以电流源驱动的方式关断mosfet器件。
44.本公开能够使mosfet器件可以在更高的温度内正常使用，降低了mosfet的开通、关断损耗，使开关损耗尽可能地降到了最低，可以提升mosfet的效率和可靠性。
附图说明
45.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
46.图1为本公开的混合门极驱动电路的电路图。
47.图2为本公开的混合门极驱动电路开通过程各时段的电压电流波形示意图。
48.图3为175℃时本公开的混合门极驱动电路与现有技术的驱动电路开通过程栅源极电压波形对比。
49.图4为175℃时本公开的混合门极驱动电路与现有技术的驱动电路开通过程漏源极电压波形对比。
50.图5为175℃时本公开的混合门极驱动电路与现有技术的驱动电路开通过程栅极电流波形对比。
51.图6为175℃时本公开的混合门极驱动电路与现有技术的驱动电路开通过程漏极电流波形对比。
52.图7为本公开的混合门极驱动电路关断过程各时段的电压电流波形示意图。
53.图8为175℃时本公开的混合门极驱动电路与现有技术的驱动电路关断过程栅源极电压波形对比。
54.图9为175℃时本公开的混合门极驱动电路与现有技术的驱动电路关断过程漏源极电压波形对比。
55.图10为175℃时本公开的混合门极驱动电路与现有技术的驱动电路关断过程栅极电流波形对比。
56.图11为175℃时本公开的混合门极驱动电路与现有技术的驱动电路关断过程漏极电流波形对比。
具体实施方式
57.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
58.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
59.电压源驱动是以稳压(或电压可调)的方式对功率器件门极电荷进行充电的驱动方式。而电流源驱动则是通过内部的恒流源(或电流可调)对门极充电的驱动方式；
60.电压源和电流源驱动下，mosfet器件1开通损耗均随温度增加而减小，且相同条件下电压源型门极驱动电路的驱动mosfet器件1开通损耗随温度增加而减小得更快，因此在开通mosfet器件1通过电压源驱动的方式，开通损耗相对较低。电压源驱动下，mosfet器件1关断损耗具有正温度系数，而电流源驱动mosfet器件1关断损耗具有负温度系数，因此关断mosfet器件1通过电流源驱动的方式，关断损耗相对较低。
61.基于上述原因，本公开示例性的提供一种混合门极驱动电路，包括mosfet器件1、开通关断电路2、信号输入电路3和供电电路4；信号输入电路3与开通关断电路2连接，开通关断电路2与mosfet器件1连接，供电电路4分别与开通关断电路2、信号输入电路3和供电电路4连接；其中，
62.供电电路4用于向mosfet器件1、开通关断电路2和信号输入电路3供电。供电电路可以提供一种或多种不同压力的电压，为其他工作的电路供电。
63.信号输入电路3能向开通关断电路2发送开通信号或所述关断信号；信号输入电路3可以输出的是数字信号或者是模拟信号，输入的信号也可以是载波输入信号、光电输入信号等；开通信号是用于开通mosfet器件1的信号，关断信号是用于关断mosfet器件1的信号。
64.mosfet器件1作为开通或关断外部电路的执行元件；mosfet器件是金属-氧化物半导体场效应晶体管，其可以是n型mosfet器件、p型mosfet器件、sic mosfet或si mosfet等；型号可以是sct30n120、sct3030alhr、sct3017al、sct2120af、sct3017alhr、sct3022al等。
65.开通关断电路2能够接收开通信号和关断信号，当接收到开通信号时，根据所述开通信号以电压源驱动的方式开通所述mosfet器件1；当接收到关断信号时，根据所述关断信号以电流源驱动的方式关断所述mosfet器件1；
66.在一个实施例中，所述供电电路4包括第一电阻r1、第一二极管d1、第二二极管d1、电源vcc、第一供电端和第二供电端；多个供电端用于输出不同的电压。电源vcc通过所述第一供电端后分别与所述开通关断电路2、所述信号输入电路3连接；所述电源vcc依次通过所述第一电阻、所述第一二极管、所述第二供电端后分别与所述信号输入电路3、所述mosfet
器件1连接；所述第二供电端还通过所述第二二极管后接地。
67.在本实施例中，第一二极管d1为20v稳压二极管，第二二极管d2为5v稳压二极管，这两种稳压二极管应具有较高的耐温等级与较低的导通电压。供电电路4采用25v电源vcc供电，通过稳压值为20v稳压管和稳压值为5v的稳压管串联提供20v和5v的电压，供驱动电路使用。开通时，mosfet器件的栅极接到+25v电压处而源极接到+5v电压处从而产生+20v的开通栅极驱动电压；关断时，mosfet器件栅极接到0v电压处而源极接在+5v电压处从而产生-5v的smosfet栅极驱动电压。
68.在一个实施例中，所述信号输入电路3包括发射端电路31、接收端电路32和放大电路33：发射端电路31能够将控制用模拟信号转换为数字信号；接收端电路32与发射端电路31连接，能够接收所述数字信号，并将所述数字信号还原为所述控制用模拟信号；放大电路33与接收端电路32连接，用于将所述接收端电路32还原的所述控制用模拟信号转化为所述开通信号或关断信号。其中，
69.本公开中发射端电路31具体包括pwm信号发生器、第二电阻r2、第三电阻r3和第一变压器t1；所述pwm信号发生器一端接地，所述pwm信号发生器的另一端通过所述第二电阻r2后与所述第一变压器t1的一次绕组的一端连接，所述第一变压器t1的一次绕组的另一端通过第三电阻后r3后接地，所述第一变压器t1的二次绕组的一端和另一端均与接收端电路32连接。该发射端电路31由第一变压器t1原边和一对电阻构成rl微分电路，可以将0/5v的pwm方波信号转换为脉冲信号。通过发射端电路31可以将pwm的开通信号或关断信号转换为脉冲信号。脉冲信号在较远距离传输时，抗干扰能力较强。
70.本公开中，接收端电路32主要用于将脉冲信号还原成为开通信号或关断信号；接收端电路32具体包括第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r
10
、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5、第一三极管q1和第二三极管q2；
71.所述第二供电端通过所述第五二极管分别与所述第八电阻的另一端、所述第九电阻的另一端连接，作为电源输入。
72.所述信号输入电路3的一个输出端分别与所述第四电阻r4的一端、所述第三二极管d3的正极连接，所述信号输入电路3的另一个输出端分别与所述第五电阻r5的一端、所述第四二极管d4的正极连接；用于接收发射端电路31的信号。
73.另外，所述第一三极管q1的基极分别与所述第七电阻r7的一端、所述第三二极管d3的负极连接，所述第一三极管q1的集电极分别与所述第六电阻r6的一端、所述第八电阻r8的一端连接；
74.所述第二三极管q2的基极分别与所述第六电阻r6的另一端、所述第四二极管d4的负极连接，所述第二三极管q2的集电极分别与所述第七电阻r7的另一端、所述第九电阻r9的一端、所述第十电阻r
10
的一端相连，
75.所述第一三极管q1的发射极、所述第二三极管的发射极、所述第四电阻的另一端、所述第五电阻的另一端均接地；
76.所述第十电阻的另一端作为发射端电路31的输出端与所述放大电路33连接。
77.接收端电路32通过两个对称的电阻第四电阻r4、第五电阻r5来接收脉冲，之后由第一三极管q1、第二三极管q2和电阻等电路结构将脉冲变为pwm波，当第一变压器t1二次绕组
上端为正下端为负时，第一三极管q1导通，第二三极管q2关断，则第一变压器t1二次绕组的输出会接在电源电压处，因此会输出给下一级高电平。若第一变压器t1二次绕组上端为负下端为正时，第一三极管q1关断，第二三极管q2导通，将输出电压接在地上，输出给下一级低电平，当脉冲结束后由第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9保持第一变压器t1二次绕组的输出状态，因此将脉冲信号转化为pwm波。
78.为了对电源进行滤波处理，接收端电路32还包括第一电容c1、第二电容c2和第三电容c3；所述第五二极管d5的负极通过所述第一电容c1接地，所述第二供电端通过所述第二电容c2后接地，所述第一供电端通过所述第三电容c3后与所述第二供电端连接。
79.本公开中，放大电路33具体包括第十一电阻r
11
与第三三极管d3；
80.所述供电电路4的第一供电端与第十一电阻r
11
的一端连接；
81.第三三极管d3的集电极与第十一电阻r
11
的另一端、开通关断电路2连接，第三三极管d3的基极与接收端电路32中第十电阻的另一端电连接，接收pwm波的开通信号和关断信号，第三三极管d3的发射极接地。
82.放大电路33的功能为将接收端电路32还原的低压pwm波放大，将其电压转换为对地0/+25v。当接收端电路32输出给放大电路高电平时，第三三极管q3导通，输出给下一级对地0v低电平；当接收端电路32输出给放大电路低电平时，第三三极管q3关断，输出给下一级对地25v高电平。
83.在另一个实施例中，所述开通关断电路2包括开通电路21和关断电路22：信号输入电路3通过所述开通电路21与所述mosfet器件1连接，所述开通电路21能够接收所述开通信号并根据所述开通信号以电压源驱动的方式开通所述mosfet器件1；所述信号输入电路3通过所述关断电路22与所述mosfet器件1连接，所述关断电路22能够接收所述关断信号并根据所述关断信号以电流源驱动的方式关断所述mosfet器件1。
84.在本公开中，所述开通电路21具体包括第四三极管q4、第六三极管q6和第十二电阻r
12
；
85.所述第四三极管q4的基极与第三三极管q3的集电极连接，接收放大后的信号，所述第四三极管q4的发射极与所述第六三极管q6的基极连接，所述第四三极管q4的集电极、所述第六三极管q6的集电极均与所述供电电路4连接，所述第六三极管q6的发射极通过所述第十二电阻r
12
与所述mosfet器件1的栅极连接。
86.当开通电路21接收到放大电路输出高电平时，第四三极管q4与第六三极管q6导通，关断电路22中第五三极管q5关断，mosfet器件1的栅极变为高电平，供电电路4通过第四三极管q4、第六三极管q6和第十二电阻r
12
向mosfet器件1输入电容c
iss
充电，使mosfet器件1逐渐满足开通条件。
87.在本公开中，所述关断电路22包括第五三极管q5和多个并联的场效应管电路，每个所述场效应管电路均包括保护电阻和场效应管；
88.本公开设置6个场效应管电路为例，也可以根据需要设置其他数量的场效应管电路也不影响本公开的实施；保护电阻包括保护电阻保护电路r
13
至保护电路r
18
，场效应管包括场效应管j1至场效应管j6；第五三极管q5的基极与第三三极管q3的集电极连接，接收放大后的信号，所述第五三极管q5的集电极接地，所述第五三极管q5的发射极分别通过所述保护电阻(r
13-r
18
)与所述场效应管(j
1-j6)的源级一一对应的连接，所述第五三极管q5的发射极
还分别与每个所述场效应管(j
1-j6)的栅极连接，所述场效应管(j
1-j6)的漏极均与所述mosfet器件1的栅极连接。
89.当关断电路接收到放大电路输出的低电平时，第五三极管q5开通，第四三极管q4与第六三极管q6关断，mosfet器件1变为低电平，mosfet器件1输入电容c
iss
通过jfet电流源、第五三极管q5向地放电。
90.下面结合本公开的实施例分析混合门极驱动电路的工作原理，mosfet器件1开通关断过程可以分别分为4个阶段，分别对各阶段的工作原理进行具体说明：
91.参阅图2-图6所示，开通阶段可以分为t0～t4的4个阶段：
92.第1阶段(t0～t1)：t0时刻，驱动电压从-v
ee
跳变到+v
cc
，驱动电路给mosfet器件1的输入电容充电，mosfet器件1的栅源极电压开始上升。t1时刻，mosfet器件1的栅源极电压上升到阈值电压v
th
。
93.第2阶段(t1～t2)：t1时刻，mosfet器件1的栅源极电压上升到阈值电压v
th
，mosfet器件1的源极开始导通，漏极电流id开始上升，栅源极电压继续上升。t2时刻，漏极电流id增加到负载电流i
l
，栅源极电压上升到米勒平台电压v
miller
。
94.第3阶段(t2～t3)：t2时刻，mosfet器件1的漏极电流达到负载电流i
l
，栅源极电压上升到米勒平台电压v
miller
，漏源极电压v
ds
从母线电压v
dc
开始下降。t3时刻，mosfet器件1的漏源极电压下降到导通压降i
l*rds(on)
。
95.第4阶段(t3～t4)：t3时刻，mosfet器件1的漏源极电压下降到导通压降i
l*rds(on)
，此后，mosfet器件1的栅源极电压继续增加。t4时刻，mosfet器件1的栅源极电压继续增加至正驱动电压+v
cc
。此阶段不产生损耗。
96.参阅图7-图11所示，关断过程可以分为t5～t9的4个阶段：
97.第5阶段(t5～t6)：t5时刻，mosfet器件1的输入电容开始以恒定电流i
goff
放电，mosfet器件1的栅源极电压开始减小。t6时刻，mosfet器件1的栅源极电压下降到米勒平台电压。
98.第6阶段(t6～t7)：t6时刻，mosfet器件1的栅源极电压下降到米勒平台电压，mosfet器件1的漏源极电压开始上升。t7时刻，漏源极电压升到母线电压v
dc
。
99.第7阶段(t
7～
t8)：t7时刻，漏源极电压升到母线电压v
dc
，mosfet器件1的漏极电流开始下降。t8时刻，mosfet器件1的漏极电流下降到零，栅源极电压下降到阈值电压v
th
。
100.第8阶段(t8～t9)：t8时刻，mosfet器件1的栅源极电压下降到阈值电压v
th
。此后，mosfet器件1的栅源极电压继续减小。t9时刻，mosfet器件1的栅源极电压继续减小负驱动电压-v
ee
。此阶段不产生损耗。
101.综上，在mosfet器件1的开通时使用电压驱动，关断时使用电流源驱动，改善了高温时的开关特性，减小了开关损耗，提高了系统的可靠性与效率。
102.另外，在ltspice软件中进行仿真，调节参数使传统的驱动电路与所提出的驱动电路25℃时开通参数相同，关断损耗相等，之后对两种驱动电路分别在175℃下进行仿真。当传统的驱动电路与所提出的驱动电路25℃开通参数相同、关断损耗相等时，175℃下本公开的驱动电路开通损耗为1839.62μj，关断损耗为798.01μj，开关损耗为2637.63μj；传统的驱动电路开通损耗为1878.24μj，关断损耗为850.46μj，开关损耗为2728.7μj。则相同的25℃驱动条件下，175℃时本公开所提出的驱动电路与传统驱动电路驱动mosfet器件1时，开通
损耗下降了2.06％，关断损耗下降了6.16％，开关损耗下降了3.34％。
103.所以，本公开提出的mosfet器件1高温门极驱动电路使mosfet器件1可以在更高的温度内正常使用，降低了mosfet器件1的开通、关断损耗，使开关损耗尽可能地降到了最低，可以提升mosfet器件1的效率和可靠性。
104.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
105.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
106.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。