一种SiCMOSFET驱动电路系统的制作方法

本实用新型属于电力电子驱动电路技术领域，涉及一种SiC MOSFET驱动电路系统。

背景技术：

近年来以碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体电力电子器件取得了蓬勃发展，与硅(Si)器件相比，其具有更高的载流子饱和迁移率，因此有更高的临界场强、更高的热导率以及更低的通态损耗等优点。SiC MOSFET由于导通电阻小、开关速度快、耐压高，能够显著改善开关损耗和通态损耗，有利于提高变换器效率，因而被广泛应用于各类高温、高压和高开关频率场合。但SiC MOSFET驱动电路设计目前仍存在较多问题。由于SiC器件特性参数的不同，这样就导致SiC MOSFET的栅极阈值电压和栅极电压可承受极限值相比Si MOSFET和IGBT较低，若将其应用在高速开关状态下，其漏源极的高du/dt会在其栅漏极间的反馈电容(密勒电容)上产生反馈电流，这样与门极电阻形成的回路会产生压降，若此值高于其栅极阈值电压会容易导致SiC MOSFET的误导通。对于此类问题，通常采取的方案为给驱动电路电源提供一定负电压，保证同桥臂上下管SiC MOSFET开关状态切换过程中能够保证栅极的抗扰能力。但由于SiC MOSFET的负压承受能力较弱，同桥臂开关管在高速互补导通开关状态下的di/dt会与电路寄生电容在SiC MOSFET的栅源极产生较大的电压尖峰，这样很容易击穿其栅极氧化层，导致器件损坏。

除此之外，对于半桥SiC MOSFET驱动电路，通常所采用的方式为上下桥臂驱动双电源供电，以保证驱动输出电压的可靠性和功率器件栅源极可靠开通。但多路电源在单相及三相系统中会增加电源设计的复杂性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种SiC MOSFET驱动电路系统。

本实用新型所采用的技术方案是，一种SiC MOSFET驱动电路系统，包括供电电源模块PM1，供电电源模块PM1依次连接有自举供电电路、上桥臂高速隔离驱动芯片U1、上桥臂SiC MOSFET驱动电路及上桥臂SiC MOSFET开关管S1，供电电源模块PM1还依次连接有下桥臂高速隔离驱动芯片U2、下桥臂SiC MOSFET驱动电路及下桥臂SiC MOSFET开关管S2，上桥臂SiC MOSFET开关管S1和下桥臂SiC MOSFET开关管S2的中点桥臂连接负载，上桥臂SiC MOSFET开关管S1漏极连接半桥母线DC_BUS+，下桥臂SiC MOSFET开关管S2源极连接半桥母线DC_BUS-；还包括有逻辑门电平转化电路UT1，逻辑门电平转化电路UT1分别与上桥臂高速隔离驱动芯片U1和下桥臂高速隔离驱动芯片U2连接。

本实用新型的特点还在于，

供电电源模块PM1采用B2424S芯片，供电电源模块PM1的参考地为 GND-2。

逻辑门电平转化电路UT1采用74LVX4245芯片，用于逻辑门电平转化电路UT1逻辑电源的参考地为GND。

上桥臂高速隔离驱动芯片U1和下桥臂高速隔离驱动芯片U2均采用 1EDI20N12AF高速磁隔离芯片，上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚VCC1 和下桥臂高速隔离驱动芯片U2的引脚VCC1均连接逻辑电源，上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚GND1和下桥臂高速隔离驱动芯片U2的引脚GND1 均与GND连接，上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚GND2和下桥臂高速隔离驱动芯片U2的引脚GND2均与GND-2相连，上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚IN-和下桥臂高速隔离驱动芯片U2的引脚IN-均连接GND；

下桥臂高速隔离驱动芯片U2的引脚VCC2连接供电电源模块PM1的输出侧Uo+，上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚VCC2与自举供电电路连接；上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚IN+连接逻辑门电平转化电路UT1的输出端A0；下桥臂高速隔离驱动芯片U2的引脚IN+连接逻辑门电平转化电路 UT1的输出端A1端。

自举供电电路包括依次串联的二极管DS1、电阻R2及自举电容Cb1，二极管DS1阳极与供电电源模块PM1的输出侧Uo+连接，自举电容Cb1两端分别与上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚GND2和上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚VCC2连接。

上桥臂SiC MOSFET驱动电路包括负压产生电路和驱动输出电路。

负压产生电路包括稳压二极管ZD2、电解电容CT1及电阻R3，稳压二极管ZD2阴极与上桥臂SiC MOSFET开关管S1的源极连接，稳压二极管 ZD2阳极与GND-2连接，电解电容CT1并联在稳压二极管ZD2上，电阻 R3一端连接在电阻R2和自举电容Cb1之间的节点上，电阻R3另一端与电解电容CT1连接，形成充电回路。

驱动输出电路包括三极管Q1、门极泄放回路电阻R4、低值电容C3及稳压二极管ZD1，三极管Q1基极通过电阻R5与上桥臂高速隔离驱动芯片 U1的OUT-连接，三极管Q1发射级与下桥臂SiC MOSFET开关管S2栅极相连，三极管Q1集电极接入上桥臂SiC MOSFET开关管S1的源极；门极泄放回路电阻R4、低值电容C3及稳压二极管ZD1分别并联在上桥臂SiC MOSFET开关管S1的栅极和源极之间。

上桥臂SiC MOSFET开关管S1栅极还连接有开通电阻Rg1和关断电阻 Rg2，开通电阻Rg1另一端连接上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚OUT+，关断电阻Rg2一端与上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚OUT-连接，关断电阻Rg2另一端连接在上桥臂SiC MOSFET开关管S1栅极和开通电阻Rg1 之间。

上桥臂SiC MOSFET驱动电路和下桥臂SiC MOSFET驱动电路结构相同。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型的抑制桥臂串扰的SiC MOSFET驱动电路系统，在SiC MOSFET开关管的栅源极加入三极管，当三极管B、E极电压小于其阈值电压时将栅极有源钳位到SiC MOSFET开关管源极，能增加SiC MOSFET的关断速度，并能有效抑制半桥单元由于串扰引起的上桥臂负压尖峰和下桥臂正压尖峰；

(2)本实用新型的抑制桥臂串扰的SiC MOSFET驱动电路系统，采用自举供电的方式为半桥SiC MOSFET驱动芯片供电，减少驱动供电电源的数量，降低系统成本；

(3)本实用新型的抑制桥臂串扰的SiC MOSFET驱动电路系统，利用无源器件产生负压，能增强栅源极的抗干扰能力，抑制密勒效应引起的开关管误导通，同时能减少负压产生电源的使用，节约成本。

附图说明

图1是本实用新型一种SiC MOSFET驱动电路系统的结构示意图；

图2是本实用新型一种SiC MOSFET驱动电路系统内供电电源模块PM1 的结构示意图；

图3是本实用新型一种SiC MOSFET驱动电路系统内逻辑门电平转化电路UT1的结构示意图；

图4是本实用新型一种SiC MOSFET驱动电路系统内半桥驱动电路的结构示意图；

图5是本实用新型一种SiC MOSFET驱动电路系统一种实施例的结构示意图；

图6是本实用新型一种SiC MOSFET驱动电路系统内上桥臂SiC MOSFET开关管S1开通时的电路工作状态图；

图7是本实用新型一种SiC MOSFET驱动电路系统内下桥臂SiC MOSFET开关管S2开通时的电路工作状态图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型一种SiC MOSFET驱动电路系统，如图1所示，包括供电电源模块PM1，供电电源模块PM1依次连接有自举供电电路、上桥臂高速隔离驱动芯片U1、上桥臂SiC MOSFET驱动电路及上桥臂SiC MOSFET开关管S1，供电电源模块PM1还依次连接有下桥臂高速隔离驱动芯片U2、下桥臂SiC MOSFET驱动电路及下桥臂SiC MOSFET开关管S2，上桥臂SiC MOSFET开关管S1和下桥臂SiC MOSFET开关管S2的中点桥臂连接负载，上桥臂SiC MOSFET开关管S1漏极连接半桥母线DC_BUS+，下桥臂SiC MOSFET开关管S2源极连接半桥母线DC_BUS-；还包括有逻辑门电平转化电路UT1，逻辑门电平转化电路UT1分别与上桥臂高速隔离驱动芯片U1和下桥臂高速隔离驱动芯片U2连接。

如图2所示，供电电源模块PM1采用B2424S芯片，供电电源模块PM1 的参考地为GND-2，供电电源电路PM1为上桥臂高速隔离驱动芯片U1和下桥臂高速隔离驱动芯片U2提供+24V驱动电压，以满足的SiC MOSFET 栅极开启电压。

如图3所示，逻辑门电平转化电路UT1采用74LVX4245芯片，逻辑电源的参考地为GND，逻辑电平转化电路UT1用于接收来自控制芯片的驱动信号，主要目的在于将控制器输出的幅值为+3.3V的脉冲转化为与上桥臂高速隔离驱动芯片U1和下桥臂高速隔离驱动芯片U2相匹配的+5V逻辑电源，输入侧经高值下拉电阻，并拥有使能信号PWM/EN控制0E引脚保护后级主功率电路，输出侧VCCA由5V电源供电，经电平转换后输出8路与输入侧脉冲信号相同的PWM信号分别至上桥臂高速隔离驱动芯片U1和下桥臂高速隔离驱动芯片U2的IN+端。

如图4所示，上桥臂高速隔离驱动芯片U1和下桥臂高速隔离驱动芯片 U2均采用1EDI20N12AF高速磁隔离驱动芯片，用于接收来自逻辑门电平转化电路UT1发出的PWM驱动信号，并将信号隔离放大后以电源信号VCC2 驱动上桥臂SiC MOSFET开关管S1和下桥臂SiC MOSFET开关管S2开关管，芯片内部采用推挽输出的结构，以保证足够的驱动电流，加快SiC MOSFET开通；上桥臂高速隔离驱动芯片U1和下桥臂高速隔离驱动芯片 U2中：引脚VCC1连接逻辑电源，引脚GND1与GND连接，引脚GND2 与GND-2相连，引脚IN-连接GND，以保证单端输入驱动脉冲；GND-2和 +24V驱动电压之间连接有去耦电容C2，去耦电容C2的作用是去除引脚 VCC2的噪声；

上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚VCC2与自举供电电路连接，下桥臂高速隔离驱动芯片U2的引脚VCC2连接供电电源模块PM1的输出侧 Uo+；上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚IN+连接逻辑门电平转化电路UT1 的输出端A0，引脚IN+接收来自UT1的电平信号PWM1A；下桥臂高速隔离驱动芯片U2的IN+连接逻辑门电平转化电路UT1的输出端A1端，引脚 IN+接收来自UT1的电平信号PWM1B。

自举供电电路包括依次串联的二极管DS1、电阻R2及自举电容Cb1，以保证在下桥臂SiC MOSFET开关管S2关断时为上桥臂SiC MOSFET开关管S1提供开启电压，二极管DS1阳极与供电电源模块PM1的输出侧Uo+ 连接，自举电容Cb1两端分别与上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚VCC2 和上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚GND2连接。

在下桥臂SiC MOSFET开关管S2导通时，桥臂中点电位会被上桥臂SiC MOSFET开关管S1导通时的高电位DC_BUS+下拉至下桥臂SiC MOSFET 开关管S2的漏极电位DC_BUS-，在高速开关过程中，桥臂中点的电位会在 DC_BUS+和DC_BUS-之间浮动，而在下桥臂SiC MOSFET开关管S2导通时，上桥臂高速隔离驱动芯片U1的输出电源侧会由引脚VCC2经限流电阻 R2向自举电容Cb1充电，自举电容Cb1电容两端的电位差会使下桥臂SiC MOSFET开关管S2的栅源极产生电势差，从而有效导通上桥臂SiC MOSFET 开关管S1。二极管DS1用于阻隔由于桥臂中点浮动电位产生的电势反馈至电源电路。

上桥臂SiC MOSFET驱动电路包括负压产生电路和驱动输出电路。

负压产生电路包括稳压二极管ZD2、电解电容CT1及电阻R3，稳压二极管ZD2阴极与上桥臂SiC MOSFET开关管S1的源极连接，稳压二极管ZD2阳极与GND-2连接，产生负压，采用双电源供电模式，以增强上桥臂 SiC MOSFET开关管S1关断后的抗扰性，电解电容CT1并联在稳压二极管 ZD2上，用于保持稳压二极管ZD2两端电压的稳定，电阻R3一端连接在电阻R2和自举电容Cb1之间的节点上，电阻R3另一端与电解电容CT1连接，与电解电容CT1形成充电回路。

根据稳压二极管ZD2/ZD4阴阳极之间由于齐纳效应产生的电位差提供上桥臂SiC MOSFET开关管S1和下桥臂SiC MOSFET开关管S2在关断时的负电压，以保证栅源极的抗扰性，防止SiC MOSFET由于密勒效应导致的栅极电压超过SiC MOSFET的阈值电压，从而引起上下桥臂开关管的误导通。

以上桥臂为例，驱动输出电路包括三极管Q1、门极泄放回路电阻R4、低值电容C3及稳压二极管ZD1，三极管Q1基极通过电阻R5与上桥臂高速隔离驱动芯片U1的OUT-连接，电阻R5为三极管Q1共集电极工作方式的基极电阻，三极管Q1发射级与下桥臂SiC MOSFET开关管S2栅极相连，如图5所示，工作时，在三极管Q1集电极经低值电阻R10接入上桥臂SiC MOSFET开关管S1的源极，低值电阻R10为三极管Q1的集电极负载电阻；门极泄放回路电阻R4、低值电容C3及稳压二极管ZD1分别并联在上桥臂 SiC MOSFET开关管S1的栅极和源极之间。稳压二极管ZD1用于提升栅源极电压稳定性。

低值电容C3/C6用于抑制栅极震荡，高值电阻R4/R9用于加快门极电荷泄放，稳压二极管ZD1/ZD3用于增强栅极的抗扰能力。高值电阻R4/R9和稳压二极管ZD1/ZD3均用于增强栅极的抗扰能力。对于上桥臂驱动电路，电阻R4与上桥臂SiC MOSFET开关管S1的栅源极并联，为上桥臂SiC MOSFET开关管S1关断时的栅极电荷提供放电回路，加快其放电速度；而稳压二极管ZD1主要吸收栅极由于串扰等引起的栅极电位升高，当栅极+/- 电势超过所设定的稳压管齐纳电压时，会击穿稳压管，使栅源极电压保持在稳压管的稳压范围内，保护栅极被正负压击穿的危险，提升栅极鲁棒性。

系统工作时，当下管SiC MOSFET S2关断产生的漏源极电压变化 duCE/dt与电路的寄生电感共同作用会产生负电压反馈至上管SiC MOSFET S1的源极，当上管开通时，其栅射极会产生负电压尖峰，由于PNP三极管 Q1的存在，会使栅极电势被下拉至开关管的源极，即将上桥臂SiC MOSFET 开关管S1的栅极有源钳位至S1源极的电位，保证上桥臂管SiC MOSFETS1 开通时，下桥臂SiC MOSFET开关管S2能够不收到干扰。

上桥臂SiC MOSFET开关管S1栅极还连接有开通电阻Rg1和关断电阻 Rg2，开通电阻Rg1另一端连接上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚OUT+，关断电阻Rg2一端与上桥臂高速隔离驱动芯片U1的引脚OUT-连接，关断电阻Rg2另一端连接在上桥臂SiC MOSFET开关管S1栅极和开通电阻Rg1 之间。

上桥臂SiC MOSFET驱动电路和下桥臂SiC MOSFET驱动电路结构相同。

本实用新型的抑制桥臂串扰的SiC MOSFET驱动电路系统的半桥电路工作原理如下：

图6为上桥臂SiC MOSFET开关管S1开通时的电路工作状态图。 PWM1A输入高电平，则上桥臂高速隔离驱动芯片U1的输出侧OUT+输出以VCC2为幅值的驱动脉冲，其经过栅极电阻Rg1流入上桥臂SiC MOSFET 开关管S1的栅极，上桥臂SiC MOSFET开关管S1导通后，其源极流过电流Is，由于SiC MOSFET的开通时间短，则相应会产生较大的dis/dt，其与下桥臂SiC MOSFET开关管S2周围的寄生电感产生的Ls2电压降会改变下桥臂SiC MOSFET开关管S2栅极电势，并且由于S1的密勒电容放电容易引起其误导通而，而Q2能够有效地将下桥臂SiC MOSFET开关管S2的栅极钳位至下桥臂SiC MOSFET开关管S2的源极，即DC_BUS-，并且由于 ZD2和CT1的存在，其栅源极会保持在负压状态，从而抑制其误导通。

图7是下桥臂SiC MOSFET开关管S2开通时的电路工作状态图。与上桥臂SiC MOSFET开关管S1开通的区别在于由下桥臂SiC MOSFET开关管 S2产生的串扰发生在上桥臂SiC MOSFET开关管S1的源极，其由高速开关状态与漏极电流Id产生的did/dt会与上桥臂SiC MOSFET开关管S1源极周围的寄生电感产生一个电势差，并且加之负压电路ZD2和CT1产生的负压，很容易引起栅源极的负压击穿，但由于串联的稳压管ZD1和Q1的存在，其能够有效地抑制其由于串扰引起的栅源极负压击穿。

此外，在下桥臂SiC MOSFET开关管S2开通时，由于桥臂中点电位被钳位在S2的漏极，即DC_BUS-，则自举电源电路VCC2通过自举二极管 DS1、R2向自举电容Cb1充电，其充电两端电压会叠加在上桥臂SiC MOSFET开关管S1的栅源极上，产生压降，S2关断S1开通时，能够可靠导通S1。

通过以上方式，本实用新型的抑制桥臂串扰的SiC MOSFET驱动电路系统，在SiC MOSFET开关管的栅源极加入PNP三极管，当三极管B、E极电压小于其阈值电压时将栅极有源钳位到SiC MOSFET开关管源极，将栅极电位有源钳位至源极，能有效抑制半桥单元由于串扰引起的上桥臂负压尖峰和下桥臂正压尖峰；本实用新型的抑制桥臂串扰的SiC MOSFET驱动电路系统，采用自举供电的方式为半桥SiC MOSFET驱动芯片供电，减少驱动供电电源的数量，降低系统成本；本实用新型的抑制桥臂串扰的SiC MOSFET驱动电路系统，利用无源器件产生负压，能增强栅源极的抗干扰能力，抑制密勒效应引起的开关管误导通，同时能减少负压产生电源的使用，节约成本。