一种SiCMOSFET驱动保护电路及其保护方法与流程

本发明属于电路控制技术领域，尤其涉及一种sicmosfet驱动保护电路及其驱动保护方法。

背景技术：

sic材料作为一种新型的材料，具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率高等优秀的物理化学性质，人们通过使用sic材料的功率器件，能够大幅提高器件的开关速度，降低装置的功耗，缩小装置的体积。sicmosfet，作为目前sic材料主流功率器件，在电力电子领域得到了广泛的关注。

要充分发挥sicmosfet的特性优势，提高器件的开关速度，达到降低装置功耗以及缩小装置体积的目的，必须先明确sicmosfet的开关特性和驱动特性。sicmosfet的开关特性主要与极间非线性寄生电容有关。同规格sicmosfet的寄生电容只有普通simosfet的1/5～1/10。mosfet寄生电容值越小，开关速度越快，开关转换时间越短，从而减少了开关损耗。

sicmosfet的驱动特性主要指影响驱动性能的因素及相互关系。驱动电源、栅极电阻、开关频率是影响其驱动性能的关键因素。与普通simosfet相比，sicmosfet的栅极阈值电压更低，更容易开通，在外部有扰动信号的情况下，容易误开通；sicmosfet的正常工作电压更高，更大的dv/dt容易导致栅极发热损坏，可靠性更低；sicmosfet的寄生电容更小，电容越小，开关越快，损耗更小。

目前，为了充分发挥sicmosfet的特性优势，经常通过设置不同的开通和关断电阻、在栅极和源极之间并联电容、在栅极和源极之间并联电阻，增加泄放回路、采用负电源的方式来避免误开通，提高可靠性。

然而，设置不同的开通和关断电阻，虽然能通过减小关断电阻有效抑制因米勒电容引起的误导通，但是由于杂散电感的存在，较小的关断电阻会产生很高的过压尖峰和栅极震荡，存在可靠性问题；在栅极和源极之间并联电容，虽然可以改善dv/dt，抑制栅极电压过冲，但是增加的电容会分担栅极充电电流，导致开关速度降低，开关损耗增加；在栅极和源极之间并联电阻，增加泄放回路，虽然同样可以改善dv/dt，抑制栅极电压过冲，但是增加的电阻或泄放回路同样会增加开关损耗；采用负电源，提高门限电压，通过负电源关断，能够很好抑制由于米勒电容引起的关断问题，但是由于mosfet的晶体管结构能够承受的dv/dt有限，而sic驱动电压一般比较高，在较高的开关动作情况下，漏源极电压变化率大，经寄生参数作用下，栅极电阻将形成较大的电压尖峰，导致栅极击穿，在关断过程中，由于sicmosfet较低的开通电压，栅极电压尖峰可能导致误开通。

以上方案都没有提到干扰信号的大小，只是针对可能的干扰信号做定性处理，且均不能完全抑制sicmosfet的误开通，且同时引起了新的问题，比如功耗增加，开关频率降低，可靠性不够等，与采用sicmosfet的初衷不符。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种sicmosfet驱动保护电路及其驱动保护方法，该驱动电路能够解决sicmosfet在关断期间，由于各种原因引起的误开通问题，同时可通过处理器监控误开通抑制信号的频率，判断当前电路工作的环境，实时调节sicmosfet的开关频率和工作状态，可以大大增加电路的可靠性，延长器件的寿命。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种sicmosfet驱动保护电路，包括采样比较模块、信号锁存及逻辑控制模块、外部控制模块和误开通抑制执行模块；

所述采样比较模块在sicmosfet关断期间，完成对栅极信号的采样，以及与参考电压信号进行比较，比较为干扰信号时向信号锁存及逻辑控制模块发送触发信号；

所述信号锁存及逻辑控制模块依据触发信号对处于关断期间的sicmosfet关断状态进行锁存，并将锁存信号发送所述外部控制模块和所述误开通抑制执行模块；

所述外部控制模块通过接收所述信号锁存及逻辑控制模块发出的锁存信号后，实时监测所述锁存信号的变化，以及依据监测锁存信号的变化调整sicmosfet的工作频率；

所述误开通抑制执行模块根据所述信号锁存及逻辑控制模块发出的锁存信号，触发一个非sicmosfet的mosfet器件导通。

进一步地，所述采样比较模块包括参考电压信号采集电路、栅极信号采集电路和比较器ar1；

所述参考电压信号采集电路包括电容c1、电阻r1、稳压二极管d1和电源vcc；电容c1和电阻r1的第一端均连接电源vcc，电容c1的第二端连接稳压二极管d1的第一端，稳压二极管d1的第二端和电阻r1的第二端连接比较器ar1的正输入端；

所述栅极信号采集电路包括电容c2、电容c3和电阻r2；电容c2和电阻r2的第一端连接栅极干扰信号检测入口，电容c2的第二端连接电容c3的第一端，电容c3的第二端和电阻r2的第二端连接比较器ar1的负输入端。

进一步地，比较器ar1在输入栅极信号电压大于等于参考电压时，输出低电平信号；

输入栅极信号电压小于参考电压时，采样比较模块输出高电平信号。

进一步地，参考电压设置为1.8v～2.0v。

进一步地，所述信号锁存及逻辑控制模块包括逻辑电路、锁存电路、放大电路和场效应管q1；

所述逻辑电路包括两个异或门，分别为异或门u1及异或门u4、三个与门，分别为与门u2、与门u7及与门u8和一个或门u9；

所述锁存电路包括rs触发器u3、电阻r3和电容c4；

所述放大电路包括放大器u5和放大器u6；

异或门u1的第一输入端、异或门u4的第二输入端和rs触发器u3的s端连接比较器ar1的输出端，异或门u1的输出端连接与门u2的第一输入端，与门u2的输出端连接到rs触发器u3的r端、异或门u4的第一输入端和与门u7的第一输入端，异或门u4的输出端连接与门u7的第二输入端，与门u7的输出端连接或门u9的第二输入端。

rs触发器u3的q端通过放大器u5连接场效应管q1的栅极，场效应管q1的漏极分别连接电阻r3、电容c4、与门u8的第一输入端、异或门u1的第二输入端和与门u2的第二输入端。rs触发器u3的q非端通过放大器u6连接与门u8的第二输入端，与门u8的输出端连接或门u9的第一输入端。

进一步地，所述外部控制模块包括信号处理及控制接口和处理器，所述处理器与sicmosfet器件连接，用于实时监测和评估所述锁存及逻辑控制模块发出的锁存信号。

进一步地，信号处理及控制接口包括信号处理及控制入口、信号处理及控制出口；

信号处理及控制入口、处理器、信号处理及控制出口依次连接；

所述信号处理及控制入口与所述信号锁存及逻辑控制模块连接，在接收信号后由处理器对信号进行处理；

处理器在处理之后，通过所述信号处理及控制出口控制sicmosfet器件的开通与关断。

进一步地，所述误开通抑制执行模块包括由放大器u10、场效应管q2和电阻r4；

放大器u10的输入端连接或门u9的输出端，输出端连接场效应管q2的栅极，场效应管q2的漏极和电阻r4的连接点直接连接到sicmosfet的栅极。

进一步地，所述误开通抑制执行模块中的场效应管q2和电阻r4的连接点与sicmosfet的栅极连接。

一种采用sicmosfet驱动保护电路的驱动保护方法，在sicmosfet关断期间，采样比较模块检测sicmosfet的栅极电压，与参考电压信号相比较，若栅极电压大于参考电压，则认为sicmosfet栅极有可能导致其误开通的干扰信号；

采样比较模块向信号锁存及逻辑控制模块发送低电平的触发信号，信号锁存及逻辑控制模块依据触发信号对处于关断期间的sicmosfet关断状态进行锁存，并将锁存信号发送所述外部控制模块和所述误开通抑制执行模块；

误开通抑制执行模块接收锁存信号后，触发一个非sicmosfet的mosfet器件导通。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的sicmosfet驱动保护电路，将误开通抑制信号进行锁存并可以通过rc网络调节锁存时间。在锁存期间，即使栅极信号输入恢复，也不改变锁存状态，锁存将保持，确保外部控制模块能输入信号并进一步处理，同时确保sicmosfet栅极保护能够完全执行。锁存结束后，栅极信号输入可重新触发。

2、本发明提供的sicmosfet驱动保护电路的驱动保护方法，将干扰信号的大小与参考信号进行比较，对于可能导致误开通的干扰信号立即进行泄放处理，防止sicmosfet误开通，和传统方法相比，保护更彻底，sicmosfet开通速度可以更快，损耗更小。

3、本发明提供的sicmosfet驱动保护电路的驱动保护方法，外部控制模块可以通过分析一段时间干扰信号出现的频率来判断当前电路工作的环境，实时调节sicmosfet的开关频率和工作状态，可以大大增加电路的可靠性，对器件的寿命起到积极的保护作用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构框图；

图2为本发明实施例的整体电路图；

图3本发明实施例中采样比较模块电路图；

图4本发明实施例中信号锁存及逻辑控制模块电路图；

图5本发明实施例中信号处理及控制接口电路图；

图6本发明实施例中误开通抑制执行模块电路图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1、2所示，为本发明sicmosfet驱动保护电路的结构框图和整体电路图。该电路包括采样比较模块、信号锁存及逻辑控制模块、外部控制模块和误开通抑制执行模块。

如图3所示，采样比较模块包括参考电压信号采集电路、栅极信号采集电路和比较器ar1。由电容c1、电阻r1、稳压二极管d1以及电源vcc组成的参考电压信号采集电路，输入到比较器ar1的正输入端。其中，电容c1和电阻r1的第一端均连接电源vcc，电容c1的第二端连接稳压二极管d1的第一端，稳压二极管d1的第二端和电阻r1的第二端连接比较器ar1的正输入端。

待检测信号经过由电容c2、电容c3以及电阻r2构成的栅极信号采集电路输入到比较器ar1的负输入端。其中，电容c2和电阻r2的第一端连接栅极干扰信号检测入口，电容c2的第二端连接电容c3的第一端，电容c3的第二端和电阻r2的第二端连接比较器ar1的负输入端。

正、负输入端比较后的结果从比较器ar1输出，送入信号锁存及逻辑控制模块。采样比较模块主要完成对sicmosfet栅极信号的采样，以及与参考电压信号进行比较，为后续信号锁存及逻辑控制模块提供基础信号。

如图4所示，信号锁存及逻辑控制模块包括由异或门u1及u4、与门u2、u7及u8、或门u9组成的逻辑电路，由rs触发器u3、电阻r3、电容c4组成的锁存电路，由放大器u5及u6组成的放大电路和场效应管q1。

其中，异或门u1的第一输入端、异或门u4的第二输入端和rs触发器u3的s端连接比较器ar1的输出端，异或门u1的输出端连接与门u2的第一输入端，与门u2的输出端连接到rs触发器u3的r端、异或门u4的第一输入端和与门u7的第一输入端，异或门u4的输出端连接与门u7的第二输入端，与门u7的输出端连接或门u9的第二输入端。

rs触发器u3的q端通过放大器u5连接场效应管q1的栅极，场效应管q1的漏极分别连接电阻r3、电容c4、与门u8的第一输入端、异或门u1的第二输入端和与门u2的第二输入端。rs触发器u3的q非端通过放大器u6连接与门u8的第二输入端，与门u8的输出端连接或门u9的第一输入端。

信号锁存及逻辑控制模块通过一系列的逻辑电路将采样比较模块输出的信号，予以锁存，并通过调节rc时间参数调节锁存时间长短。锁存期间，即使sicmosfet栅极输入恢复，也不改变锁存，只有当锁存结束后，方可重新触发。锁存的信号一方面提供给外部控制模块，另一方面同时提供给误开通抑制执行模块。

如图5所示，为外部控制模块中信号处理及控制接口电路图，电阻r3及场效应管q1的连接点作为信号处理及控制入口(即外部控制模块的信号输入点)。信号处理及控制入口、处理器、信号处理及控制出口依次连接，信号处理及控制入口与信号锁存及逻辑控制模块连接，在接收信号后由处理器对信号进行处理；处理器在处理之后，处理器将通过实时监测并评估此信号，将信号通过信号处理及控制出口传输至sicmosfet器件。如果干扰信号频繁，可以降低sicmosfet的工作频率，从而降低损耗，延长sicmosfet的寿命。

如图6所示，误开通抑制执行模块电路包括由放大器u10组成的放大电路、场效应管q2和电阻r4，场效应管q2与电阻r4的连接点直接连接到sicmosfet的栅极。结合图2，放大器u10的输入端连接或门u9的输出端，输出端连接场效应管q2的栅极，场效应管q2的漏极和电阻r4的连接点直接连接到sicmosfet的栅极。

误开通抑制执行模块接受信号锁存及逻辑控制模块发出的信号，对于可能导致sicmosfet误开通的信号，通过反向放大器u10放大后，最终触发一个常规mosfet，从而将sicmosfet栅极电压信号进行泄放，最终达到抑制误开通的目的。

工作原理：

在sicmosfet关断期间，采样比较模块工作，检测sicmosfet的栅极电压，栅极电压经过滤波网络进入比较器ar1的负输入端，与比较器ar1的正输入端的参考电压信号相比较，其中，参考电压信号大小一般设置为1.8v～2.0v，若负输入端电压大于正输入端电压，则认为sicmosfet栅极有干扰信号，可能导致其误开通，比较器ar1将输出低电平，此低电平信号作为后续误开通抑制信号以及外部控制模块监测信号，需要进行锁存，以免一旦sicmosfet栅极信号有变化，此信号会立即进行转变，从而无法达到保护sicmosfet栅极以及抑制误开通的目的。

比较器ar1输出的低电平信号输入到rs触发器的s端，同时输入到异或门u1的第一输入端。在初始状态下，异或门u1的第二输入端上拉到高电平，因此异或门u1输出高电平，此高电平输入到与门u2的第一输入端，与门u2的第二输入端同时也来自初始状态的高电平，因此与门u2输出高电平，此高电平直接输入到rs触发器的r端，因此，rs触发器的q端输出低电平，q非端输出高电平。q端输出的低电平经过反向放大器u5，导致场效应管q1导通，场效应管q1的漏极被拉到低电平，此脚连接到异或门u1和与门u2的第二输入端，导致与门u2输出改变为低电平，此低电平直接输入到rs触发器的r端，触发器维持前一个状态保持不变，即维持q端输出为低电平，q非端输出为高电平，实现了信号的锁存。

rs触发器q非端输出的高电平信号经过反向放大器u6反向放大后，与场效应管q1输出的低电平信号同时输入到与门u8，与门u8输出为低电平。同时比较器ar1输出的低电平信号经异或门u4，以及rs触发器r端输入信号经过和与门u7一起逻辑运算后，与门u7输出为低电平，与与门u8输出的低电平一起输入到或门u9，或门u9输出为低电平，经过反向放大器u10反向放大后，驱动场效应管q2，场效应管q2导通，场效应管q2的漏极连接到sicmosfet的栅极，场效应管q2的源极连接到地电位或者负电平，因此，将sicmosfet栅极的扰动信号实施泄放处理，从而防止sicmosfet的误开通。

在sicmosfet关断期间，若比较器ar1负输入端电压小于正输入端电压，则认为sicmosfet栅极没有干扰信号，比较器ar1输出高电平，rs触发器s端输入高电平。同时，由于与门u2第二输入端为低电平，则与门u2的输出端为低电平，此低电平输入到rs触发器r端。触发器的状态进行翻转，q端输出高电平，q非端输出低电平，q端输出经过反向放大器u5反向放大后，将关闭场效应管q1，场效应管q1的漏极由低电平转为高电平，由于场效应管q1的漏极通过电阻r3上拉到高电平，且在场效应管q1的漏极与源极之间，存在并联电容c4，因此，场效应管q1的漏极状态不能突变，从而可以通过调节电阻r3的阻值以及电容c4的容值来调节电平由低到高的时间。

由于电阻r3和电容c4的存在，漏极电位不能突变，从而为将此漏极状态送入处理器处理提供了响应时间，处理器可以监控误开通抑制信号的频率，判断当前电路工作的环境，实时调节sicmosfet的开关频率和工作状态，可以大大增加电路的可靠性，对器件的寿命起到积极的保护作用。

漏极电位由低到高转变后，此信号与q非端经反向放大器u6反向放大的高电平一同输入与门u8，与门u8输出高电平，此高电平输入或门u9的第一输入端，不管或门u9第二输入端是何种状态，或门u9都将输出高电平，此高电平经过反向放大器u10反向放大后，变为低电平，输入到场效应管q2的栅极，场效应管q2关闭。

综上所述，本发明检测可能导致sicmosfet误导通的信号，并将信号与参考信号比较，对符合信号大小的误导通信号进行处理，并予以锁存。一方面将锁存信号送入外部控制模块，供处理器分析处理；另一方面，通过一系列的逻辑实现，对于可能导致误开通的干扰信号，电路将触发误开通抑制执行模块，通过开通另一个常规mosfet，将干扰信号泄放，最终达到防止误开通的目的。

同时，由于sicmosfet经常工作的高频状态，频繁的干扰或高的dv/dt对电路可靠性以及sicmosfet的寿命提出了严峻的考验，本发明可以通过外部控制模块实时对sicmosfet的工作电路环境进行监控，分析干扰信号的发生频率，判断电路干扰情况是否严重，实时选择最优导通频率，调节sicmosfet的开关频率和工作状态(即是否关断sicmosfet)，大大增加电路的可靠性，延长器件的使用寿命。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。