一种适用于宽禁带功率器件的高效驱动电路的制作方法

本发明涉及宽禁带功率器件驱动技术领域，更具体地说，涉及一种适用于宽禁带功率器件的高效驱动电路。

背景技术：

目前各种电源均对功率密度以及能量转换效率提出了更高的要求，本质上是通过功率器件的高频化和降低功耗来实现。相对于传统的Si基功率器件来说，新一代宽禁带功率器件具有更快的开关能力以及更低的开关损耗等优越的开关性能。宽禁带功率器件主要包括SiC型和GaN型两大类。目前，科研工作人员正在尝试将宽禁带功率器件广泛的应用于各种电源上，以改善电源的整机性能、减少开关损耗、缩减体积以及提高效率。

但是，当宽禁带功率器件在高频条件下工作时，过高的瞬态电压dv/dt和瞬态电流di/dt会通过与线路杂散电感以及宽禁带功率器件的输入电容相互作用，产生电磁干扰(EMI)，从而导致驱动电路电压产生尖峰，引起误触发。为了解决这个问题，迫切需要研制一种具有较宽适应范围的、高效率的宽禁带功率器件的驱动电路。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种适用于宽禁带功率器件、具有保护功能、有效防止功率器件发生损坏、可减弱宽禁带功率器件驱动过程中出现瞬态电压和瞬态电流过高而产生电磁干扰的问题、防止产生电压尖峰而引起误触发、具有良好驱动效果的高效驱动电路。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种适用于宽禁带功率器件的高效驱动电路，其特征在于：包括控制芯片、供电模块一、供电模块二、隔离保护模块和功率器件；所述控制芯片包括PWM输出端、就绪信号输入端、故障信号输入端和复位信号输出端；所述隔离保护模块包括隔离电路一、隔离电路二、逻辑电路一、逻辑电路二、逻辑电路三和逻辑电路四；

所述PWM输出端与逻辑电路一的输入端连接，供电模块一通过欠压锁定模块M1与逻辑电路一的输入端连接，逻辑电路一的输出端与隔离电路一的输入端连接，以实现供电模块一电压监测，并在供电模块一电压正常状态下传送PWM输出端输出的PWM信号；隔离电路一的输出端与逻辑电路三的输入端连接，供电模块二通过欠压锁定模块M5与逻辑电路三的输入端连接，且功率器件的栅极通过栅极电压比较电路与逻辑电路三的输入端连接；逻辑电路三的输出端通过栅极保护电路与功率器件的栅极连接，以实现供电模块二电压和功率器件的栅极电压监测，并在供电模块一电压正常且功率器件的栅极电压正常状态下将所述PWM信号通过栅极保护电路传送至功率器件的栅极；

所述功率器件的漏极通过依次连接的漏极保护电路和漏源极电压比较电路与逻辑电路四的输入端连接，逻辑电路四的输出端与隔离电路二的输入端连接，以实现功率器件的漏源极电压监测，并在功率器件的漏源极电压过大时发出故障信号；隔离电路二的输出端与逻辑电路二的输入端连接；逻辑电路二的输出端分别与就绪信号输入端和故障信号输入端连接，以实现将所述故障信号传送至控制芯片；复位信号输出端与逻辑电路二的输入端连接；所述就绪信号输入端通过电阻R3与供电模块一连接；所述故障信号输入端通过电阻R4与供电模块一连接。

本发明高效驱动电路适用于宽禁带功率器件，具有多种保护功能，有效防止功率器件发生损坏；可减弱宽禁带功率器件驱动过程中出现瞬态电压和瞬态电流过高、产生电磁干扰的问题，防止产生电压尖峰而引起误触发，具有良好的驱动效果。

优选地，所述漏极保护电路包括：电容C4、稳压管ZD1、电阻R10和二极管D2；所述漏源极电压比较电路通过依次连接的电阻R10和二极管D2与功率器件的漏极连接；漏源极电压比较电路与电阻R10的连接点分别通过电容C4和稳压管ZD1连接供电模块二的负极。

优选地，所述栅极保护电路包括：二极管D3、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电容C5；所述二极管D3和电阻R11串联后与电阻R12并联；电阻R11与电阻R12的连接点与功率器件的栅极连接；二极管D3与电阻R12的连接点与逻辑电路三的输出端连接；电阻R13和电容C5并联后并联到功率器件的栅极和源极之间。通过调节栅极保护电路各个器件的参数，可调节功率器件的驱动速度。

优选地，所述隔离电路一、隔离电路二、逻辑电路一、逻辑电路二、逻辑电路三、逻辑电路四、栅极电压比较电路、漏源极电压比较电路、欠压锁定模块M1和欠压锁定模块M5集成在一个隔离驱动芯片上。本发明高效驱动电路采用集成的隔离驱动芯片与分立元件相结合，可简化电路结构。

优选地，所述隔离驱动芯片是指：型号为ISO5852S、ISO5851、ISO5452、ISO5451、1ED020I12-F2、2ED020I12-F2和1EDU20I12SV中任一项的芯片。这些芯片可靠性强，并且适用于宽禁带功率器件。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明高效驱动电路适用于宽禁带功率器件，具有多种保护功能，有效防止功率器件发生损坏；可减弱宽禁带功率器件驱动过程中出现瞬态电压和瞬态电流过高、产生电磁干扰的问题，防止产生电压尖峰而引起误触发，具有良好的驱动效果；

2、本发明高效驱动电路通过调节栅极保护电路各个器件的参数，可调节功率器件的驱动速度，调试简单、便捷；

3、本发明高效驱动电路既可以采用全分立元件模式，又可以采用集成的隔离驱动芯片与分立元件相结合，可简化电路结构。

附图说明

图1是本发明高效驱动电路的结构示意图；

图2是实施例一高效驱动电路采用全分立式元件模式的电路原理图；

图3是实施例二高效驱动电路采用集成模式的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例一种适用于宽禁带功率器件的高效驱动电路，包括控制芯片、供电模块一、供电模块二、隔离保护模块和功率器件；控制芯片包括PWM输出端、就绪信号输入端、故障信号输入端和复位信号输出端；隔离保护模块包括隔离电路一、隔离电路二、逻辑电路一、逻辑电路二、逻辑电路三和逻辑电路四。

PWM输出端与逻辑电路一的输入端连接，供电模块一通过欠压锁定模块M1与逻辑电路一的输入端连接，逻辑电路一的输出端与隔离电路一的输入端连接，以实现供电模块一电压监测，并在供电模块一电压正常状态下传送PWM输出端输出的PWM信号；隔离电路一的输出端与逻辑电路三的输入端连接，供电模块二通过欠压锁定模块M5与逻辑电路三的输入端连接，且功率器件的栅极通过栅极电压比较电路与逻辑电路三的输入端连接；逻辑电路三的输出端通过栅极保护电路与功率器件的栅极连接，以实现供电模块二电压和功率器件的栅极电压监测，并在供电模块一电压正常且功率器件的栅极电压正常状态下将PWM信号通过栅极保护电路传送至功率器件的栅极。

原理是：如图2所示，当供电模块一的电源电压低于欠压锁定模块M1的电压VUVLOL1或者供电模块二的电源电压低于欠压锁定模块M5的VUVLOL2时，关断信号就会发送到控制芯片，PWM输出端输入的PWM信号自动被忽略。

控制芯片的PWM输出端提供PWM信号，高电平有效；PWM信号正向输入到引脚PWM+，引脚PWM-连接到供电模块一的负极GND1；引脚PWM+通过下拉电阻R2连接到供电模块一的负极GND1，引脚PWM-通过上拉电阻R5连接到供电模块一的正极VCC1。引脚PWM+和引脚PWM-分别经由PWM延时模块M2和M3连接到逻辑电路一的输入端；因此PWM信号经由PWM延时模块M2和M3，可限制脉冲宽度的最小值，从而消除高频脉冲干扰。

逻辑电路三的输出端通过由MOSFT管Q4和Q5组成的推挽结构与引脚OUT连接；PWM信号通过逻辑电路一、隔离电路一和逻辑电路三，控制由MOSFT管Q4和Q5组成的推挽结构，输出PWM信号到引脚OUT，可以降低功耗，提高可靠性。控制芯片可以是MCU、ARM或者DSP微处理器，也可以是专用的集成PWM控制芯片。

栅极电压比较电路包括比较器F1和MOSFET管Q3；引脚CLAMP实时监测功率器件的栅极电压，将其电压值通过比较器F1，与2V进行比较后输入逻辑电路三；引脚CLAMP与比较器F1，当电压超过2V时使其开启MOSFET管Q3，利于栅源极内部寄生电容电荷的释放，从而减小或消除米勒效应。

功率器件的漏极通过依次连接的漏极保护电路和漏源极电压比较电路与逻辑电路四的输入端连接，逻辑电路四的输出端与隔离电路二的输入端连接，以实现功率器件的漏源极电压监测，并在功率器件的漏源极电压过大时发出故障信号；隔离电路二的输出端与逻辑电路二的输入端连接；逻辑电路二的输出端分别与就绪信号输入端和故障信号输入端连接，以实现将故障信号传送至控制芯片；复位信号输出端与逻辑电路二的输入端连接；就绪信号输入端通过电阻R3与供电模块一连接；故障信号输入端通过电阻R4与供电模块一连接。

如图2所示，栅极保护电路包括：二极管D3、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电容C5；二极管D3和电阻R11串联后与电阻R12并联；电阻R11与电阻R12的连接点与功率器件的栅极连接；二极管D3与电阻R12的连接点与逻辑电路三的输出端连接；电阻R13和电容C5并联后并联到功率器件的栅极和源极之间。通过调节栅极保护电路各个器件的参数，可调节功率器件的驱动速度。

栅极保护电路中电阻R12为正向导通驱动电阻，电阻R11为反向关断驱动电阻，二极管D3可以加快功率器件关断速度。其中电阻R13和电容C5能直接影响功率器件的导通上升驱动速度。因此，本发明高效驱动电路调试简单、便捷。

漏极保护电路包括：电容C4、稳压管ZD1、电阻R10和二极管D2；漏源极电压比较电路通过依次连接的电阻R10和二极管D2与功率器件的漏极连接；漏源极电压比较电路与电阻R10的连接点分别通过电容C4和稳压管ZD1连接供电模块二的负极。

漏源极电压比较电路包括比较器F2、高精度电流源I1、电阻R9、二极管D1和MOSFET管Q7；引脚DESAT用来检测功率器件的漏源极电压，从而检测功率器件是否处于过流状态，将其电压值通过比较器F2，与9V进行比较后输入逻辑电路四，当电压超过9V时使其关闭PWM驱动输出，从而防止功率器件发生直通后过流而烧坏。高精度电流源I1、电容C4和稳压管ZD1组成消隐时间电路，防止发生误保护。电阻R10和二极管D2是为了防止漏极电流反灌。

引脚Ready表示就绪状态，就绪信号输入端与逻辑电路二之间通过MOSFET管Q1连接，MOSFET管Q1还通过电阻R6连接到供电模块一的正极VCC1上。电阻R4为上拉电阻接到供电模块一的正极VCC1，当供电模块一不正常以及电路传输有误时，信号通过逻辑电路四、隔离电路二和逻辑电路二，使MOSFET管Q1开启，其中电阻R6为上拉电阻，引脚Ready开漏输出低电平到控制芯片，提示控制芯片状态未就绪。

引脚Fault表示故障信号，故障信号输入端与逻辑电路二之间通过MOSFET管Q2连接，MOSFET管Q2还通过电阻R7连接到供电模块一的正极VCC1上。电阻R3为上拉电阻接到供电模块一的正极VCC1，当同一桥臂功率器件直通后，故障信号通过逻辑电路四、隔离电路二和逻辑电路二，使MOSFET管Q2导通，其中电阻R7为上拉电阻，引脚Fault输出低电平给控制芯片，从而关断PWM信号输出。

引脚Reset表示复位信号，复位信号输出端与逻辑电路二之间通过延时模块M4连接，引脚Reset还通过电阻R8连接到供电模块一的正极VCC1上。当控制芯片输出低电平到引脚Reset，PWM信号输出关断，信号经过延时模块M4一段时间后通过逻辑电路二，在引脚Reset变为高电平时的上升沿处使得引脚Fault获得有效高电平复位。其中电阻R8为上拉电阻。

欠压锁定模块M1、延时模块M2、延时模块M3、延时模块M4和欠压锁定模块M5均为现有技术。逻辑电路一、逻辑电路二、逻辑电路三和逻辑电路四分别用于连接各功能部分之间的关系，可采用现有技术。隔离电路一和隔离电路二可采用现有技术，例如变压器。

本发明高效驱动电路适用于宽禁带功率器件，具有多种保护功能，有效防止功率器件发生损坏；可减弱宽禁带功率器件驱动过程中出现瞬态电压和瞬态电流过高、产生电磁干扰的问题，防止产生电压尖峰而引起误触发，具有良好的驱动效果。

实施例二

如图3所示，本实施例一种适用于宽禁带功率器件的高效驱动电路，采用集成模式，实施例一中所述的隔离电路一、隔离电路二、逻辑电路一、逻辑电路二、逻辑电路三、逻辑电路四、栅极电压比较电路、漏源极电压比较电路、欠压锁定模块M1、延时模块M2、延时模块M3、延时模块M4和欠压锁定模块M5均集成在一个隔离驱动芯片上。本发明高效驱动电路采用集成的隔离驱动芯片与分立元件相结合，可简化电路结构。

隔离驱动芯片是指：型号为ISO5852S、ISO5851、ISO5452、ISO5451、1ED020I12-F2、2ED020I12-F2和1EDU20I12SV中任一项的芯片。这些芯片可靠性强，并且适用于宽禁带功率器件。

具体地说，隔离驱动芯片中，引脚VCC1通过电阻R1与供电模块一的正极连接，还通过电容C1与供电模块一的负极连接；引脚GND1和引脚PWM-分别与供电模块一的负极连接。

引脚PWM+与控制芯片的PWM输出端连接，引脚Fault与控制芯片的故障信号输入端连接，引脚Ready与控制芯片的就绪信号输入端连接，引脚Reset与控制芯片的复位信号输出端连接，引脚Fault和引脚Ready还分别通过电阻R3和电阻R4与供电模块一的正极连接。

引脚VCC2与供电模块二的正极连接，还通过电容C2接地；引脚GND2与供电模块二的负极连接且接地，引脚VEE2通过电容C3接地。引脚DESAT通过漏极保护电路与功率器件的漏极连接，引脚CLAMP与功率器件的栅极连接，引脚OUT通过栅极保护电路与功率器件的栅极连接，功率器件的源极接地。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。