一种抑制SiCMOSFET串扰的方法、串扰抑制电路及驱动电路与流程

本发明涉及电力电子，具体涉及一种抑制sic mosfet串扰的方法、串扰抑制电路及驱动电路。

背景技术：

1、随着半导体产业的不断发展以及功率半导体需求不断增加，相比于si mosfet，宽禁带半导体碳化硅功率器件凭借其在高温、高压、高频以及复杂的辐照环境下工作等巨大优势，在电力电子应用领域中受到广泛使用。然而在桥臂电路中，sic mosfet在开关瞬态期间产生的高dv/dt会导致sic mosfet栅源电压具有较大的尖峰和震荡，米勒电容的存在会使在桥臂上的一个开关管开通关断过程中,在桥臂上的另一个开关管的栅源极之间产生电压尖峰。由于其低阈值电压，电压尖峰容易超过sic mosfet的开启电压,进而造成开关管的误导通,增大开关损耗,严重时还会造成桥臂直通,烧毁电路；另外过大的负向电压尖峰会使sic mosfet栅极承受较大的电压应力，导致器件损坏。因此,在桥臂电路中，串扰抑制对于sic mosfet的正常工作十分重要。

2、目前设计串扰抑制的驱动电路多从以下三个方面来实现：1.改变驱动电压等级，目前采用的改变驱动电压等级的方法，大都需要增加额外的控制辅助开关，这大大增加了控制的复杂性；2.改变驱动回路阻抗，部分抑制方法是通过添加额外的控制信号来实现串扰抑制的目的，大大增加了电路设计的复杂程度；3.引入闭环反馈变量，部分抑制电路的设计会增加过多的有源设备，且控制精度要求高。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种不需要额外的控制信号，并在不影响sic mosfet正常开关速度的情况下能够实现对串扰有效抑制的方法、串扰抑制电路及驱动电路。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种抑制sic mosfet串扰的方法，在串扰发生时，采用为产生的密勒电流提供低阻抗释放路径的方式来抑制串扰尖峰电压。

4、这样，通过在串扰来临时为密勒电流提供释放路径的方式，在不影响sic mosfet正常开关速度的同时，可以保护sic mosfet发生正向串扰时不会误导通，负向串扰时不会过压击穿，有效地抑制串扰问题。同时，该电路不需要额外的控制信号，结构简单。

5、优选的，在串扰发生时，sic mosfet的串扰电压vgs的计算公式为：

6、

7、ciss＝cgd+cgs

8、式中：rg_eq为sic mosfet的栅极驱动阻抗，ciss为sic mosfet的输入电容，cgd为sicmosfet的栅漏电容，cgs为sic mosfet的栅源电容；

9、通过减小sic mosfet的栅极驱动阻抗rg_eq或增大sic mosfet的输入电容的方式来减小sic mosfet的串扰电压vgs。

10、一种实现上述抑制sic mosfet串扰的方法的串扰抑制电路，包括正向串扰抑制电路和负向串扰抑制电路，所述正向串扰抑制电路包括电阻rv、电阻roff、电阻rg、电阻r2、二极管d1、电容c和pnp三极管vt,所述电阻rv的一端和所述pnp三极管vt的发射极均与sicmosfet的栅极连接，所述电阻rv的另一端同时与所述二极管d1的阳极、所述电阻rg的一端和所述pnp三极管vt的基极连接，所述二极管d1的阴极与所述电阻roff的一端连接，所述电阻roff的另一端与所述电阻rg的另一端连接，所述pnp三极管vt的集电极同时与所述电阻r2的一端和所述电容c的一端连接，所述电阻r2的另一端和所述电容c的另一端连接后再与sicmosfet的源极连接；

11、所述负向串扰抑制电路包括电阻r和肖特基二极管d3，所述肖特基二极管d3的阴极与sic mosfet的栅极连接，所述肖特基二极管d3的阳极与所述电阻r的一端连接，所述电阻r的另一端与sic mosfet的源极连接。

12、这样，由于sic mosfet在开通或关断瞬间的漏极和源极之间的dvds/dt将作用于米勒电容cgd(即sic mosfet栅极和漏极之间的寄生电容)，并产生米勒电流，然后这个电流将流过sic mosfet栅极电阻并最终产生串扰电压。

13、当sic mosfet导通时，sic mosfet的漏源电压迅速升高，由于dvds\dt增大，米勒电流从sic mosfet的漏极端流向栅极端，导致sic mosfet的栅源极电压出现正电压尖峰，若该正电压尖峰超出sic mosfet的阈值电压，就会出现误导通的现象，甚至烧毁电路，此时为发生正向串扰的情况。本方案的正向串扰抑制电路在发生正向串扰时，密勒电流在电阻rv上感应出右正左负的电压，达到pnp三极管vt的阈值电压以使得pnp三极管vt导通，因此电阻rv阻值大小应保证pnp三极管vt可靠导通；pnp三极管vt的集电极与电容c和电阻r2的并联回路相连，发生正向串扰时，pnp三极管vt导通与电容c和电阻r2的并联回路形成的支路为密勒电流提供了一条低阻抗释放路径，电容c同时增加了栅源电容，电阻r2作用是在密勒电流释放完毕后消耗电容c剩余的能量，同时二极管d1导通，roff与rg并联降低了sic mosfet的栅极电阻，由此正向串扰抑制电路通过为密勒电流通过低阻抗释放路径并通过降低栅极电阻和增加栅极电容的方式实现了抑制正向串扰的目的。

14、当sic mosfet关断时，sic mosfet的漏源电压迅速降低，dvds\dt降低，米勒电流从sic mosfet的栅极端流向漏极端，导致sic mosfet的栅源极电压出现负电压尖峰，若该负电压尖峰超出sic mosfet的最大承受负压，就会出现sic mosfet被击穿的现象，损坏器件，此时为发生负向串扰的情况。本方案的负向串扰抑制电路在发生负向串扰时，密勒电流方向与正向串扰发生时电流方向相反，此时电阻rv的压降未达到的pnp三极管vt阈值电压，pnp三极管vt关断，肖特基二极管d3导通，与电阻r的串联支路将sic mosfet的栅源电压钳位，且电阻r阻值较小，为反向串扰时密勒电流提供了一条低阻抗路径。

15、优选的，所述正向串扰抑制电路还包括电阻r1和肖特基二极管d2，所述肖特基二极管d2的阳极与sic mosfet的栅极连接，所述肖特基二极管d2的阴极与所述pnp三极管vt的发射极连接，所述电阻r1的一端与所述pnp三极管vt的基极连接，所述电阻r1的另一端连接在所述电阻rv和所述电阻rg之间。

16、这样，pnp三极管vt的发射极与肖特基二极管d2相连，肖特基二极管d2用于防止pnp三极管vt发射极被击穿，pnp三极管vt的基极与电阻r1相连，电阻r1作用是抑制pnp三极管vt基极的高频干扰。

17、一种抑制sic mosfet串扰的驱动电路，包括直流电源vdc、负载电感ls、负载电阻rs、上桥臂结构和下桥臂结构，所述上桥臂结构连接在所述直流电源vdc的正极和所述负载电感ls之间，所述下桥臂结构连接在所述直流电源vdc的负极和所述负载电感ls之间，所述上桥臂结构包括mos管s1-h、mos管s2-h、上管正向驱动电压v1-h、上管反向驱动电压v2-h、开关管q-h和上述的上串扰抑制电路，所述上串扰抑制电路用于对所述开关管q-h的正向串扰和反向串扰进行抑制，所述下桥臂结构包括mos管s1-l、mos管s2-l、下管正向驱动电压v1-l、下管反向驱动电压v2-l、开关管q-l和设有上述的下串扰抑制电路，所述下串扰抑制电路用于对所述开关管q-l的正向串扰和反向串扰进行抑制。

18、这样，当开关管q-h导通时，开关管q-l的漏源电压迅速升高，由于dvds\dt增大，米勒电流从开关管q-l的漏极端流向栅极端，导致开关管q-l的栅源极电压出现正电压尖峰，若该正电压尖峰超出开关管q-l的阈值电压，就会出现误导通的现象，甚至烧毁电路。同理，当开关管q-h关断时，开关管q-l的漏源电压迅速降低，dvds\dt降低，米勒电流从开关管q-l的栅极端流向漏极端，导致开关管q-l的栅源极电压出现负电压尖峰，若该负电压尖峰超出开关管q-l的最大承受负压，就会出现开关管被击穿的现象，损坏器件，在开关管q-h导通和关断瞬间，下串扰抑制电路对开关管q-l的正向串扰和反向串扰进行抑制。

19、同理，在开关管q-l导通和关断瞬间，上串扰抑制电路对开关管q-h的正向串扰和反向串扰进行抑制。

20、优选的，所述开关管q-h的漏极与所述直流电源vdc的正极连接，所述开关管q-h的源极与所述负载电感ls的一端连接，所述mos管s1-h的漏极与所述上管正向驱动电压v1-h的正极连接，所述上管正向驱动电压v1-h的负极同时与所述上管反向驱动电压v2-h的正极和所述开关管q-h的源极连接，所述上管反向驱动电压v2-h的负极与所述mos管s2-h的源极连接，所述mos管s2-h的漏极与所述mos管s1-h的源极连接；

21、所述上串扰抑制电路包括正向上串扰抑制电路和负向上串扰抑制电路，所述正向上串扰抑制电路包括电阻rv-h、电阻roff-h、电阻rg-h、电阻r2-h、二极管d1-h、电容c-h和pnp三极管vt-h,所述电阻rv-h的一端和所述pnp三极管vt-h的发射极均与所述开关管q-h的栅极连接，所述电阻rv-h的另一端同时与所述二极管d1-h的阳极、所述电阻rg-h的一端和所述pnp三极管vt-h的基极连接，所述二极管d1-h的阴极与所述电阻roff-h的一端连接，所述电阻roff-h的另一端同时与所述mos管s1-h的源极、所述mos管s2-h的漏极和所述电阻rg-h的另一端连接，所述pnp三极管vt-h的集电极同时与所述电阻r2-h的一端和所述电容c-h的一端连接，所述电阻r2-h的另一端和所述电容c-h的另一端连接后再与所述开关管q-h的源极连接；

22、所述负向上串扰抑制电路包括电阻r-h和肖特基二极管d3-h，所述肖特基二极管d3-h的阴极与所述开关管q-h的栅极连接，所述肖特基二极管d3-h的阳极与所述电阻r-h的一端连接，所述电阻r-h的另一端与所述开关管q-h的源极连接。

23、这样，对于上桥臂的正向串扰抑制，下桥臂开关管q-l的导通瞬态期间，上桥臂开关管q-h保持关断，此时开关管q-h的密勒电流流经驱动电阻rv-h时，在电阻rv-h上感应出右正左负的电压，达到pnp三极管vt-h的阈值电压并导通，不需要额外的控制信号，此时pnp三极管vt-h与电容c-h和电阻r2-h的并联回路串联，形成的回路增大了开关管q-h的栅源电容，并为密勒电流提供释放路径，电阻r2-h在密勒电流释放完毕后消耗电容c-h剩余的能量，此时电阻rv-h因为pnp三极管vt-h的导通而被短路；同时二极管d1-h导通，电阻roff-h与电阻rg-h并联降低了驱动回路的栅极电阻，上桥臂的正向串扰因为驱动回路栅极阻抗的降低和开关管q-h栅源电容的增大实现了抑制，并且由于肖特基二极管d3-h反向偏置的特性，该支路在正向串扰时不导通。

24、对于上桥臂的负向串扰抑制，下桥臂开关管q-l的关断瞬态期间，上桥臂开关管q-h保持关断，此时密勒电流方向与正向串扰发生时电流方向相反，此时电阻rv-h的压降未达到pnp三极管vt-h的阈值电压，pnp三极管vt-h关断，肖特基二极管d3-h导通，与电阻r-h的串联支路将开关管q-h栅源电压钳位，且电阻r-h阻值较小，为密勒电流提供了一条低阻抗路径。

25、优选的，所述正向上串扰抑制电路还包括电阻r1-h和肖特基二极管d2-h，所述肖特基二极管d2-h的阳极与开关管q-h的栅极连接，所述肖特基二极管d2-h的阴极与所述pnp三极管vt-h的发射极连接，所述电阻r1-h的一端与所述pnp三极管vt-h的基极连接，所述电阻r1-h的另一端连接在所述电阻rv-h和所述电阻rg-h之间。

26、这样，pnp三极管vt-h的发射极与肖特基二极管d2-h相连，肖特基二极管d2-h用于防止pnp三极管vt-h发射极被击穿，pnp三极管vt-h的基极与电阻r1-h相连，电阻r1-h作用是抑制pnp三极管vt-h基极的高频干扰。

27、优选的，所述开关管q-l的源极与所述直流电源vdc的负极连接，所述开关管q-l的漏极与所述负载电感ls的一端连接，所述mos管s1-l的漏极与所述下管正向驱动电压v1-l的正极连接，所述下管正向驱动电压v1-l的负极同时与所述下管反向驱动电压v2-l的正极和所述开关管q-l的源极连接，所述下管反向驱动电压v2-l的负极与所述mos管s2-l的源极连接，所述mos管s2-l的漏极与所述mos管s1-l的源极连接；

28、所述下串扰抑制电路包括正向下串扰抑制电路和负向下串扰抑制电路，所述正向下串扰抑制电路包括电阻rv-l、电阻roff-h、电阻rg-l、电阻r2-l、二极管d1-l、电容c-l和pnp三极管vt-l,所述电阻rv-l的一端和所述pnp三极管vt-l的发射极均与所述开关管q-l的栅极连接，所述电阻rv-l的另一端同时与所述二极管d1-l的阳极、所述电阻rg-l的一端和所述pnp三极管vt-l的基极连接，所述二极管d1-l的阴极与所述电阻roff-l的一端连接，所述电阻roff-l的另一端同时与所述mos管s1-l的源极、所述mos管s2-l的漏极和所述电阻rg-l的另一端连接，所述pnp三极管vt-l的集电极同时与所述电阻r2-l的一端和所述电容c-l的一端连接，所述电阻r2-l的另一端和所述电容c-l的另一端连接后再与所述开关管q-l的源极连接；

29、所述负向下串扰抑制电路包括电阻r-l和肖特基二极管d3-l，所述肖特基二极管d3-l的阴极与所述开关管q-l的栅极连接，所述肖特基二极管d3-l的阳极与所述电阻r-l的一端连接，所述电阻r-l的另一端与所述开关管q-l的源极连接。

30、这样，对于下桥臂的正向串扰抑制，上桥臂开关管q-h的导通瞬态期间，下桥臂开关管q-l保持关断，此时开关管q-l的密勒电流流经驱动电阻rv-l时，在电阻rv-l上感应出右正左负的电压，达到pnp三极管vt-l的阈值电压并导通，不需要额外的控制信号，此时pnp三极管vt-l与电容c-l和电阻r2-l的并联回路串联，形成的回路增大了开关管q-l的栅源电容，并为密勒电流提供释放路径，电阻r2-l在密勒电流释放完毕后消耗电容c-l剩余的能量，此时电阻rv-l因为pnp三极管vt-l的导通而被短路；同时二极管d1-l导通，电阻roff-l与电阻rg-l并联降低了驱动回路的栅极电阻，下桥臂的正向串扰因为驱动回路栅极阻抗的降低和开关管q-l栅源电容的增大实现了抑制，并且由于肖特基二极管d3-l反向偏置的特性，该支路在正向串扰时不导通。

31、对于下桥臂的负向串扰抑制，上桥臂开关管q-h的关断瞬态期间，下桥臂开关管q-l保持关断，此时密勒电流方向与正向串扰发生时电流方向相反，此时电阻rv-l的压降未达到pnp三极管vt-l的阈值电压，pnp三极管vt-l关断，肖特基二极管d3-l导通，与电阻r-l的串联支路将开关管q-l栅源电压钳位，且电阻r-l阻值较小，为密勒电流提供了一条低阻抗路径。

32、优选的，所述正向下串扰抑制电路还包括电阻r1-l和肖特基二极管d2-l，所述肖特基二极管d2-l的阳极与开关管q-l的栅极连接，所述肖特基二极管d2-l的阴极与所述pnp三极管vt-l的发射极连接，所述电阻r1-l的一端与所述pnp三极管vt-l的基极连接，所述电阻r1-l的另一端连接在所述电阻rv-l和所述电阻rg-l之间。

33、这样，pnp三极管vt-l的发射极与肖特基二极管d2-l相连，肖特基二极管d2-l用于防止pnp三极管vt-l发射极被击穿，pnp三极管vt-l的基极与电阻r1-l相连，电阻r1-l作用是抑制pnp三极管vt-l基极的高频干扰。