一种高可靠性mosfet驱动电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种应用于功率开关管MOSFET的驱动电路，尤其涉及一种碳化硅MOSFET的驱动电路，属于驱动电路【技术领域】，为解决现有驱动电路中MOSFET关断时可靠性差的问题而发明。它包括PWM控制电路、驱动脉冲放大电路、驱动电阻Rg、第一二极管D1、电阻R1、PNP三极管Qoff、第二二极管D2、电容C。本发明通过PNP三极管Qoff、电阻R1和电容C组成MOSFET关断电路，在MOSFET快速关断时，有效抑制了由密勒电流引起的门极正电压尖峰，同时通过第二二极管D2和电容C还可以抑制门极负电压尖峰，保证MOSFET安全、可靠地关断，能充分发挥碳化硅MOSFET的性能优势。
【专利说明】—种高可靠性MOSFET驱动电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于功率开关管MOSFET的驱动电路，尤其涉及一种碳化硅MOSFET的驱动电路，属于电气工程学科中的驱动电路【技术领域】。
【背景技术】
[0002]航空、航天、电动汽车等应用场合对电力电子变换器的要求越来越高，变换器不断朝着高效率、小型化和高可靠性的方向发展，高频化是目前电力电子变换器的主要发展趋势之一。基于硅半导体材料的硅器件经过几十年的研究，其性能已接近理论极限，成为限制变换器性能的主要因素之一，因此基于碳化硅半导体材料的新型功率器件应运而生。新型碳化硅半导体器件与硅器件相比，具有更低的导通电阻、具有更高的击穿电压、具有更低的结-壳热阻、极限工作温度高等优点，充分利用碳化硅器件的性能优势有望满足电力电子变换器性能不断提高的要求。
[0003]但碳化硅MOSFET由于材料和应用场合的不同导致其对驱动电路的要求与传统硅MOSFET存在一些差异，具体包括需要增大驱动功率以满足其高频开关动作的需要，关断时增加辅助关断电路抑制门极正电压尖峰以防止发生误导通，减小驱动回路寄生参数防止门极电压负尖峰超过其极限值而击穿MOSFET等。图1所示是一种常见的MOSFET驱动电路，MOSFET关断时其等效电路如图2所不，图中电感Lr为关断回路中的等效寄生电感，在MOSFET关断时，漏源极电压Vds会快速升高，此电压变化率会作用在密勒电容Cgd上形成密勒电流，密勒电流会流经栅源极寄生电容Cgs与驱动电阻Rg、等效寄生电感L组成的并联回路，由于电感电流不能发生突变，因此产生的密勒电流主要会对MOSFET栅源极寄生电容Cgs充电，从而导致门极正电压尖峰，出现误导通问题，在高频开关动作时，漏源极电压变化率会更高，形成更大的密勒电流，且碳化硅MOSFET开启阈值电压较低，因此碳化硅MOSFET的误导通问题会更加严重。
[0004]图3所示是由栅源极寄生电容Cgs与驱动电阻Rg、等效寄生电感L组成的回路，门极电压产生尖峰后会通过图3所示回路放电，栅源极寄生电容Cgs与寄生电感L可能发生谐振，形成门极负电压尖峰，导致MOSFET栅极被击穿，碳化硅MOSFET栅极击穿电压(-5V?+25V)相对硅MOSFET (-20V?+30V)较低，更容易发生门极负电压尖峰击穿MOSFET的问题，导致器件及变换器失效。
[0005]因此，需要寻求一种高可靠性MOSFET驱动电路，在能提供足够驱动能力的同时，还要保证在高频开关动作时能够有效关断M0SFET，避免MOSFET发生误导通或栅极被击穿现象，提高电路的可靠性。
【发明内容】
[0006]1、发明目的
[0007]本发明的目的在于克服现有MOSFET驱动电路在高频化应用中存在的关断可靠性较低的问题，提供一种有源辅助关断电路，抑制门极电压可能出现的正负电压尖峰，可以有效防止开关管误动作导致变换器发生故障，提高电路可靠性，为充分发挥碳化硅MOSFET的优势提供保障，促进变换器性能的进一步提高。
[0008]2、技术方案
[0009] 为达到上述的发明目的，本发明的高可靠性MOSFET驱动电路包括产生驱动信号的PWM控制电路，所述控制电路由第一直流电源(Vra)供电，与所述控制电路连接的驱动脉冲放大电路，所述驱动脉冲放大电路由第二直流电源(Vra)供电，在MOSFET驱动电压允许的范围内可适当增大第二直流电源(Vrc2)以减小MOSFET导通电阻，与所述驱动脉冲放大电路连接的驱动电阻(Rg)及电阻(R1)，驱动电阻(Rg)及电阻(R1)同时与控制电路相连，MOSFET的开通速度可通过改变驱动电阻(Rg)的大小进行调节，关断速度可通过改变电阻(R1)的大小进行调节，这种连接方式可以根据实际情况分别调节MOS的开通与关断速度，与驱动电阻(Rg)相连的是第一二极管(D1),第一二极管(D1)可以在MOSFET关断时确保关断回路由PNP三极管(Qtjff)、电容(C)和MOSFET栅源极寄生电容组成，缩小关断电流回路，减小线路中寄生电感的影响，连接于电阻(R1)另一端子的PNP三极管(Qtjff),其发射极与第一二极管(D1)和第二二极管(D2)的阴极相连，与PNP三极管(Qtjff)集电极相连的电容(C)，PNP三极管(Q。^)、电阻(R1)和电容(C)组成了驱动电路门极正电压尖峰抑制电路，有效抑制了 MOSFET关断时通过密勒电容产生的密勒电流对门极电压的影响，防止MOSFET发生误导通问题，由第二二极管(D2)和电容(C)组成了驱动电路门极负电压尖峰抑制电路，门极电压发生振荡出现负压时，第二二极管(D2)导通，使电容(C)与MOSFET栅源极寄生电容并联，实现对负电压尖峰的抑制，实现安全关断。
[0010]所述驱动脉冲放大电路可以是由N型MOSFET和P型MOSFET构成的图腾柱电路，N型MOSFET漏极与第二直流电源(Vcc2)相连，N型MOSFET栅极与P型MOSFET栅极相连作为驱动脉冲放大电路的输入端，P型MOSFET漏极与第二直流电源(Vrc2)的地端子(GND)相连，N型MOSFET源极与P型MOSFET源极相连作为驱动脉冲放大电路的输出端。
[0011 ] 所述驱动脉冲放大电路可以是专用的驱动脉冲放大电路集成芯片，在需要进行隔离驱动的场合，可以选用具有隔离功能的驱动芯片，此时驱动电路原理图如图4所示，此时第一直流电源(Vcci)的地端子为GNDl，第二直流电源(Vcc2)的地端子为GND2。
[0012]3、有益效果
[0013]与现有驱动电路相比，本发明的高可靠性MOSFET驱动电路通过驱动脉冲放大电路提高了驱动能力，能够提供足够的驱动电流，缩短MOSFET开通时间，减小开关损耗，能够满足高频驱动的要求，根据应用场合的不同，驱动脉冲放大电路可以使用非隔离型的图腾柱结构，也可以使用具有隔离功能的驱动电路集成芯片进行隔离驱动，同时，由于增加了辅助关断电路，减小了驱动回路中的寄生电感，降低了 MOSFET门极电压振荡峰值，有效避免了 MOSFET栅极被击穿或MOSFET发生误导通的现象，提高了电路的可靠性，使碳化硅MOSFET能够在更高的开关频率(相对硅M0SFET)下可靠工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是一种常见的MOSFET驱动电路。
[0015]图2是MOSFET关断时形成密勒电流的等效电路。
[0016]图3是一种常见的驱动电路等效驱动回路。[0017]图4是一种具有隔离功能的MOSFET驱动电路。
[0018]图5是本发明的高可靠性MOSFET驱动电路。
[0019]图6是本发明的门极正电压尖峰抑制等效回路。
[0020]图7是本发明的门极负电压尖峰抑制等效回路。
[0021]图8是本发明的驱动脉冲放大电路为非隔离型专用集成驱动芯片实例图。
[0022]图9是本发明的驱动脉冲放大电路为隔离型专用集成驱动芯片实例图。
[0023]图10是本发明的驱动脉冲放大电路为MOSFET图腾柱结构实例图。 [0024]图中的主要符号名称:
[0025]Vcci, Vcc2:第一、第二直流电源，GNDU GND2:第一、第二直流电源地端子，GND:非隔离驱动时第一和第二直流电源地端子，Rg:驱动电阻，R1:三极管基极电阻，D1:第一二极管，Qoff:PNP三极管，Q^Q2:图腾柱结构的NPN和PNP三极管,D2:第二二极管:C:三极管集电极与地之间电容，Cgs =MOSFET栅源极电容，Cgd =MOSFET栅漏极电容，Cds =MOSFET漏源极电容，Lr:驱动回路等效寄生电感。
【具体实施方式】
[0026]为了清楚说明本发明中的技术方案，以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0027]图5所示是本发明提供的一种高可靠性MOSFET驱动电路，此驱动电路包括产生驱动信号的PWM控制电路，所述控制电路由第一直流电源(Vra)供电，与所述控制电路连接的驱动脉冲放大电路，所述驱动脉冲放大电路由第二直流电源(Vrc2)供电，在MOSFET驱动电压允许的范围内可适当增大第二直流电源(Vrc2)以减小MOSFET导通电阻，驱动脉冲放大电路可以使用非隔离型的图腾柱结构，如由N型MOSFET和P型MOSFET构成的图腾柱电路，也可以使用具有隔离功能的驱动电路集成芯片进行隔离驱动，与所述驱动脉冲放大电路连接的是驱动电阻(Rg)及电阻(R1)，驱动电阻(Rg)及电阻(R1)同时与控制电路相连，通过改变驱动电阻(Rg)的大小可改变驱动电流峰值，从而对MOSFET的开通速度进行调节，通过改变电阻(R1)的大小可控制PNP三极管(Qtjff)基极电流，从而改变集电极电流，对MOSFET关断速度进行调节，这种连接方式可以根据实际情况分别调节MOS的开通与关断速度，与驱动电阻(Rg)相连的第一二极管(D1),第一二极管(D1)可以在MOSFET关断时确保关断回路由PNP三极管(Qtjff)、电容(C)和MOSFET栅源极寄生电容组成，缩小关断电流回路，减小线路中寄生电感的影响，门极正电压尖峰抑制等效回路如图6所示，在MOSFET关断时，漏源极电压Vds会快速升高，此电压变化率会作用在密勒电容Cgd上形成密勒电流，密勒电流大小为:Idg = Cgd.(dVds/dt)，此密勒电流在对MOSFET栅源极寄生电容Cgs充电时，会使PNP三极管(Qoff)也导通，同时对电容(C)充电，因此会起到抑制门极正电压尖峰的作用，防止MOSFET发生误导通问题，尤其在碳化硅MOSFET高频应用场合实现可靠关断。
[0028]在桥臂拓扑应用中，下管关断瞬间会使上管中产生的密勒电流对其栅源极电容充电，形成门极负电压尖峰，图7所示为由第二二极管(D2)和电容(C)组成了驱动电路门极负电压尖峰抑制电路，门极电压发生振荡出现负压时，第二二极管(D2)导通，使电容(C)与MOSFET栅源极寄生电容并联，实现对负电压尖峰的抑制。
[0029]图8所示为驱动脉冲放大电路通过非隔离型专用集成驱动芯片实现的实例图，如IXDN609等。该驱动芯片输出驱动信号与输入控制信号同相位，且能够提供9A的峰值电流，尤其在碳化硅MOSFET高频开关动作时，能够加快开通速度，减小开通损耗。
[0030]图9所示为驱动脉冲放大电路通过隔离型专用集成驱动芯片实现的实例图，如BM6104等。该驱动芯片可以实现输出驱动信号与输入控制信号同相位或反相位，且具有故障信号输出、芯片供电电源欠压保护、短路保功能，芯片自带磁耦隔离及负压驱动功能，同时具有密勒箝位功能，可防止由于密勒电流引起的门极电压升高情况。
[0031 ] 图10驱动脉冲放大电路为N型MOSFET (Q1)和P型MOSFET (Q2)构成的图腾柱结构实例图。N型MOSFET漏极与第二直流电源(Vcc2)相连，N型MOSFET栅极与P型MOSFET栅极相连作为驱动脉冲放大电路的输入端，P型MOSFET漏极与第二直流电源(Vra)的地端子相连，N型MOSFET源极与P型MOSFET源极相连作为驱动脉冲放大电路的输出端。驱动脉冲放大电路为高电平时，Q1导通，Q2关断，驱动脉冲放大电路输出电压由第二直流电源(U决定，当驱动脉冲放大电路为低电平时，Q1关断，Q2导通，驱动脉冲放大电路输出端接第二直流电源(Vra)的地端子，该图腾柱电路可实现输出驱动信号与输入控制信号同相位，且能提供足够的脉冲电流保证开通速度，从而减小开通损耗。
[0032] 本发明的高可靠性MOSFET驱动电路通过驱动脉冲放大电路提高了驱动能力，能够提供足够的驱动电流，加速MOSFET开通过程，能够满足高频驱动应用的要求，根据应用场合的不同，驱动脉冲放大电路可以使用非隔离型或隔离型结构，同时由于增加了辅助关断电路，能够有效抑制门极电压尖峰，避免了 MOSFET栅极被击穿或MOSFET发生误导通的现象，提高了电路的可靠性，能够充分满足碳化硅MOSFET的驱动要求，发挥其性能优势。
【权利要求】
1.本发明涉及一种高可靠性MOSFET驱动电路，包括产生驱动信号的PWM控制电路，所述控制电路由第一直流电源(Vra)供电，与所述控制电路连接的驱动脉冲放大电路，所述驱动脉冲放大电路由第二直流电源(Vrc2)供电，与所述驱动脉冲放大电路连接的驱动电阻(Rg)及电阻(R1),与驱动电阻(Rg)相连的第一二极管(D1),连接于电阻(R1)另一端子的PNP三极管(Qtjff),其发射极与第一二极管(D1)和第二二极管(D2)的阴极相连，与PNP三极管(Qtjff)集电极相连的电容(C)，其特征在于=MOSFET的关断电路由PNP三极管(Qtjff)、电阻(R1)、第二二极管(D2)和电容(C)组成。
2.根据权利要求1所述的高可靠性MOSFET驱动电路，其特征是:所述驱动脉冲放大电路可以是专用驱动电路集成芯片。
3.根据权利要求1所述的高可靠性MOSFET驱动电路，其特征是:所述驱动脉冲放大电路可以是由N型MOSFET和P型MOSFET构成的图腾柱电路。
4.根据权利要求1所述的高可靠性MOSFET驱动电路，其特征是:驱动电阻(Rg)与MOSFET栅极之间连接有第一二极管(D1)，在MOSFET关断时确保关断回路由PNP三极管(Qt5ff)、电容(C)和MOSFET栅源极寄生电容组成。
5.根据权利要求1所述的高可靠性MOSFET驱动电路，其特征是:驱动电阻(Rg)及电阻(R1)同时与控制电路相连，MOSFET的开通速度可通过改变驱动电阻(Rg)的大小进行调节，关断速度可通过改变电阻(R1)的大小进行调节，这种连接方式可以根据实际情况分别调节MOSFET的开通与关断速度。
6.根据权利要求1所述的高可靠性MOSFET驱动电路，其特征是:由PNP三极管(Qtjff)、电阻(R1)和电容(C)组成了驱动电路门极正电压尖峰抑制电路，有效抑制了 MOSFET关断时密勒电容上产生的密勒电流对门极电压的影响，防止MOSFET发生误导通问题，实现可靠关断。
7.根据权利要求1所述的高可靠性MOSFET驱动电路，其特征是:由第二二极管(D2)和电容(C)组成了驱动电路门极负电压尖峰抑制电路，门极电压发生振荡出现负压时，第二二极管(D2)导通，使电容(C)与MOSFET栅源极寄生电容并联，实现对负电压尖峰的抑制。
【文档编号】H03K17/567GK103944549SQ201410132304
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月3日 优先权日:2014年4月3日
【发明者】秦海鸿, 钟志远, 聂新, 朱梓悦, 谢昊天 申请人:南京航空航天大学