一种基于威尔逊电流镜的SiCMOSFET有源栅极驱动电路

本发明涉及一种基于威尔逊电流镜的sic mosfet有源栅极驱动电路，属于驱动电路。

背景技术：

1、随着功率半导体技术的不断推进，sic半导体器件正在迅速崭露头角，以满足不断增长的高功率半导体器件市场的需求。相较于传统的硅（si）半导体器件，sic功率器件表现出卓越的性能，使其在更高开关频率和更高功率级别的应用领域，如新能源发电、电动汽车变换器、工业设备和服务器等方面，逐渐占据市场份额。

2、sic mosfet表现出卓越的开关速度，这对栅极驱动电路的设计提出了严格的要求。栅极驱动电路必须迅速传递信号以确保sic mosfet的迅速导通，最小化功耗，并且需要提供足够的电压以保持正常工作，同时还必须提供足够的电流和功率来实现有效的驱动。

3、但是在实际应用中，器件和电路中的寄生参数不可避免。当sic mosfet器件工作在高频条件时，由于线路中杂散电感和寄生电容的存在，会导致通过sic mosfet的电压和电流出现过冲与振荡等现象，当电压或电流过冲超过sic mosfet的击穿电压或sic mosfet反并联二极管的最大恢复电流时，sic mosfet器件会被损坏。

4、传统栅极驱动器（conventional gate driver，简称 cgd）通过改变栅极驱动电压、驱动电阻、栅极输入电容等方法调节功率器件的开关速度，这些方法对功率器件整个开通或者关断过程的速度进行调节，但是无法灵活调节功率器件在开通或关断部分阶段的开关速度。

5、文献“sayan acharya, xu she, fengfeng tao, tony frangieh, maja harfmantodorovic and rajib datta, “active gate driver for sic-mosfet-based pvinverter with enhanced operating range,” [j] ieee transactions on industrialelectronics , vol. 55, no. 2, pp. 1677-1689, mar.-apr. 2019”提出一种切换电阻的有源驱动实现方法，该方法通过切换不同开关管qn1-qn3、qp1-qp3的开关状态来切换开通和关断过程中的驱动电阻，该方法在功率开关的开关过程中改变驱动回路，但是此时的驱动电流可达到几个安培的大小，改变驱动回路电阻对栅极的影响较大，且该方案采用的开关管较多，实现成本较高。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于威尔逊电流镜的sic mosfet有源栅极驱动电路，在开通和关断过程中设计切入栅极驱动电路的旁路威尔逊电流镜，用于加快开关过程中的栅源电压（）变化速度，从而在不影响漏源电压（）、漏极电流（）过冲的情况下加快开关速度，从而达到减小开关损耗的目的。

2、本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于威尔逊电流镜的sic mosfet有源栅极驱动电路，包括电流提供电路、第一旁路电流产生电路、第二旁路电流产生电路、第一镜像电流源控制开关电路、第二镜像电流源控制开关电路；

3、其中，第一镜像电流源控制开关电路的输出端对接第一旁路电流产生电路的电源控制端，第一镜像电流源控制开关电路的检测端对接双脉冲测试电路中待测试sic mosfetu1的源极，由第一镜像电流源控制开关电路检测待测试sic mosfet u1的源极的电压，并控制第一旁路电流产生电路工作；第二镜像电流源控制开关电路的输出端对接第二旁路电流产生电路的电源控制端，第二镜像电流源控制开关电路的检测端对接双脉冲测试电路中待测试sic mosfet u1的源极，由第二镜像电流源控制开关电路检测待测试sic mosfet u1的源极的电压，并控制第二旁路电流产生电路工作；

4、电流提供电路的第一电流端与第一旁路电流产生电路的控制输出端相连接，电流提供电路的第二电流端与第二旁路电流产生电路的控制输出端相连接，且该两个相连接端进一步彼此相连构成前置端，前置端对接双脉冲测试电路中待测试sic mosfet u1的栅极。

5、作为本发明的一种优选技术方案：还包括过压保护电路，所述前置端对接过压保护电路的前置侧端，过压保护电路的第一控制端对接双脉冲测试电路中待测试sic mosfetu1的栅极，过压保护电路的第二控制端对接双脉冲测试电路中待测试sic mosfet u1的源极。

6、作为本发明的一种优选技术方案：所述过压保护电路包括瞬态电压抑制二极管d3、瞬态电压抑制二极管d4，其中，瞬态电压抑制二极管d3的负极同时构成过压保护电路的前置侧端、第一控制端，瞬态电压抑制二极管d3的正极对接瞬态电压抑制二极管d4的正极，瞬态电压抑制二极管d4的负极构成过压保护电路的第二控制端。

7、作为本发明的一种优选技术方案：所述第一旁路电流产生电路包括npn型晶体管q1、npn型晶体管q2、npn型晶体管q7、npn型晶体管q8、电阻r4、二极管d1，其中，npn型晶体管q1的发射极与npn型晶体管q2的发射极相连、并接地，npn型晶体管q1的基极、npn型晶体管q2的基极、npn型晶体管q2的集电极、npn型晶体管q8的发射极四者相连接，npn型晶体管q8的基极、npn型晶体管q7的基极、npn型晶体管q7的集电极、电阻r4的其中一端四者相连接，npn型晶体管q1的集电极与npn型晶体管q7的发射极相连接，npn型晶体管q8的集电极对接二极管d1的负极，二极管d1的正极构成第一旁路电流产生电路的控制输出端，电阻r4的另一端构成第一旁路电流产生电路的电源控制端。

8、作为本发明的一种优选技术方案：所述第二旁路电流产生电路包括pnp型晶体管q5、pnp型晶体管q6、pnp型晶体管q9、pnp型晶体管q10、旁路控制端电源v6、二极管d2、电阻r7，其中，旁路控制端电源v6的负极接地，旁路控制端电源v6的正极、pnp型晶体管q5的发射极、pnp型晶体管q6的发射极三者相连接，pnp型晶体管q6的基极、pnp型晶体管q5的基极、pnp型晶体管q5的集电极、pnp型晶体管q9的发射极四者相连接，pnp型晶体管q9的基极、pnp型晶体管q10的基极、pnp型晶体管q10的集电极、电阻r7的的其中一端四者相连接，pnp型晶体管q10的发射极与pnp型晶体管q6的集电极相连接，pnp型晶体管q9的集电极对接二极管d2的正极，二极管d2的负极构成第二旁路电流产生电路的控制输出端，电阻r7的另一端构成第二旁路电流产生电路的电源控制端。

9、作为本发明的一种优选技术方案：所述第一镜像电流源控制开关电路包括压控开关电路sw1、旁路控制端电源v7、电容c2、电阻r10，压控开关电路sw1包括nmos管m1、电压比较器u5、电阻r8；其中，旁路控制端电源v7的负极接地，旁路控制端电源v7的正极对接nmos管m1的漏极，nmos管m1的源极对接电容c2的其中一端，nmos管m1的栅极对接电阻r8的其中一端，电阻r8的另一端对接电压比较器u5的输出端，电压比较器u5的正向输入端构成第一镜像电流源控制开关电路的检测端，用于对接双脉冲测试电路中待测试sic mosfet u1的源极；电压比较器u5的负向输入端用于接入预设参考电压vref；电容c2的另一端与电阻r10的其中一端相连接，且该相连接端构成第一镜像电流源控制开关电路的输出端，电阻r10的另一端接地。

10、作为本发明的一种优选技术方案：所述第二镜像电流源控制开关电路包括压控开关电路sw2，压控开关电路sw2包括nmos管m2、电压比较器u6、电阻r11，其中，电压比较器u6的负向输入端用于接入预设参考电压vref，电压比较器u6的正向输入端构成第二镜像电流源控制开关电路的检测端，用于对接双脉冲测试电路中待测试sic mosfet u1的源极；电压比较器u6的输出端对接电阻r11的其中一端，电阻r11的另一端对接nmos管m2的栅极，nmos管m2的源极接地，nmos管m2的漏极构成第二镜像电流源控制开关电路的输出端。

11、作为本发明的一种优选技术方案：所述电流提供电路为推挽放大电路，包括pnp型晶体管q3、npn型晶体管q4、控制电源v3、高电平电源v4、低电平电源v5、开通电阻r5、关断电阻r6、以及电阻r2、电阻r3，其中，控制电源v3的负极接地，控制电源v3的正极、电阻r2的其中一端、电阻r3的其中一端三者接地，电阻r2的另一端对接npn型晶体管q4的栅极，npn型晶体管q4的漏极对接高电平电源v4的正极，高电平电源v4的负极接地，npn型晶体管q4的源极串联开通电阻r5后、构成电流提供电路的第一电流端；电阻r3的另一端对接pnp型晶体管q3的栅极，pnp型晶体管q3的漏极对接低电平电源v5的正极，低电平电源v5的负极接地，pnp型晶体管q3的源极串联电阻r6后、构成电流提供电路的第二电流端。

12、作为本发明的一种优选技术方案：还包括电阻r1，所述电流提供电路的第一电流端与第一旁路电流产生电路的控制输出端相连接，电流提供电路的第二电流端与第二旁路电流产生电路的控制输出端相连接，且该两个相连接端进一步彼此相连，并串联电阻r1后构成前置端。

13、作为本发明的一种优选技术方案：所述双脉冲测试电路还包括sic mosfet u2、电源v1、电源v2、电阻r9、电感l9、电容c1、电源v8，其中，电源v2的负极、待测试sic mosfet u1的漏极、sic mosfet u2的源极、电感l9的其中一端四者相连接，电源v2的正极连接sicmosfet u2的栅极，sic mosfet u2的漏极、电感l9的另一端、电容c1的其中一端、电源v8的正极四者相连接，待测试sic mosfet u1的源极、电容c1的另一端、电源v8的负极三者相连、并接地，待测试sic mosfet u1的温度控制端、sic mosfet u2的温度控制端、电源v1的正极三者相连接，电源v1的负极接地。

14、本发明所述一种基于威尔逊电流镜的sic mosfet有源栅极驱动电路，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

15、本发明所设计一种基于威尔逊电流镜的sic mosfet有源栅极驱动电路，针对双脉冲测试电路中所包含的待测试sic mosfet u1，基于电流提供电路提供驱动电流，由第一镜像电流源控制开关电路、第二镜像电流源控制开关电路分别检测待测试sic mosfet u1的源极的电压，并控制相应第一旁路电流产生电路、第二旁路电流产生电路分别所构成的威尔逊电流镜工作，进而对待测试sic mosfet u1实现驱动；设计方案在开通和关断过程中设计切入栅极驱动电路的旁路威尔逊电流镜，用于加快开关过程中的栅源电压（）变化速度，从而在不影响漏源电压（）、漏极电流（）过冲的情况下加快开关速度，从而达到减小开关损耗的目的；并且电路设计中减小驱动回路、主功率回路、以及驱动器和主功率电路连接处的寄生电感，保证足够大的驱动电流，提高驱动效果；

16、本发明所设计一种基于威尔逊电流镜的sic mosfet有源栅极驱动电路中，威尔逊电流镜的设计，通过4个晶体管组成的改良版的威尔逊电流镜，适用于大电流电路，并且可以明显消除了基极电流失配的问题，使输出电流和输入电流近乎一致，更好的调控两个旁路电流，精准控制栅源电压的变化速度；并且引入过压保护电路，用来将待测试sic mosfetu1的栅极电压限制在门限电压的范围内，以防止栅极正负浪涌电压损坏待测试sic mosfetu1，保证实际驱动测试效果。