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CN105958803A - 常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路及其控制方法 - Google Patents

常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路及其控制方法 Download PDF

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CN105958803A
CN105958803A CN201610342325.7A CN201610342325A CN105958803A CN 105958803 A CN105958803 A CN 105958803A CN 201610342325 A CN201610342325 A CN 201610342325A CN 105958803 A CN105958803 A CN 105958803A
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CN
China
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switching tube
sic jfet
normally
type sic
circuit
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Pending
Application number
CN201610342325.7A
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English (en)
Inventor
谢昊天
秦海鸿
朱梓悦
付大丰
徐华娟
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Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

本发明涉及常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路及其控制方法，桥臂功率电路由常通型SiC JFET、常断型SiC JFET、图腾柱结构驱动电路及电流源驱动电路组成；其特点是：能够充分发挥常通型SiC JFET开关速度快及导通损耗小的优势，并利用常断型SiC JFET防止控制电路上电，驱动电路失电故障未提供栅极电压时的桥臂直通现象。常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路可广泛应用于全桥电路及三相桥式电路等典型桥臂电路中。该组合型桥臂功率电路的优点主要体现在低导通损耗、低驱动损耗、快速开关能力及防止桥臂直通现象。

Description

常通型 / 常断型 SiC JFET 组合型桥臂功率电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路及其控制方法，尤其是涉及一种高速开关、低导通损耗和防止桥臂直通的桥臂功率电路，属电力电子领域。
背景技术
SiC JFET是碳化硅结型场效应晶体管，有常通（normally-on）和常断（normally-off）两种类型。近年来，常通型SiC JFET以低导通电阻、快开关速度、耐高温、热稳定性高等优势成为提高功率变换器效率和功率密度的理想器件。但是，常通型SiC JFET在没有驱动信号时即处于导通状态，在广泛使用的电压源型变换器中容易造成桥臂的直通危险。相比常通型SiC JFET，常断型SiC JFET在其导通时必须维持一定的栅极驱动电流，以获得较小的通态电阻，驱动电路损耗相对较大。目前文献中针对常通型SiC JFET驱动构成的桥臂电路，提出几种桥臂直通保护的方案。图1为其中的典型方案，可见这类桥臂直通保护方案电路复杂程度高，也大大增加了成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种基于常通型/常断型SiC JFET的组合型桥臂功率电路，充分发挥常通型SiC JFET开关速度快及导通损耗小的优势，并利用常断型SiC JFET防止控制电路上电，驱动电路失电故障未提供栅极电压时的桥臂直通现象。
本发明提供的常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路，包括常通型SiC JFET、常断型SiC JFET、图腾柱结构驱动电路及电流源驱动电路；所述的图腾柱结构驱动电路及由开关管和驱动电阻连接而成；所述的电流源驱动电路由开关管、驱动电阻、二极管及电感连接而成。
在常通型SiC JFET栅极和供电电源间设有图腾柱结构驱动电路；在常断型SiC JFET栅极与供电电源间设有电流源驱动电路。
所述图腾柱结构驱动电路包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一驱动电阻R g1；第一高压源VCC1依次顺向连接第一开关管S1、第二开关管S2、第一低压源VEE1；第一开关管S1、第二开关管S2的中间点连接第一驱动电阻R g1的一端，第一驱动电阻R g1的另一端连接常通型SiC JFET的栅极。
所述电流源驱动电路包括第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第二驱动电阻R g2、第三驱动电阻R g3 、二极管D及电感L；
第二高压源VCC2依次顺向连接第二驱动电阻R g2、第三开关管S3、第四开关管S4、第二低压源VEE2；第三开关管S3、第四开关管S4的中间点连接第三驱动电阻R g3的一端，第三驱动电阻R g3的另一端连接常断型SiC JFET的栅极；
第二高压源VCC2依次顺向连接第五开关管S5、第六开关管S6、第二低压源VEE2；第五开关管S5、第六开关管S6的中间点连接二极管D的正极，二极管D的负极连接电感L，电感L的另一端连接常断型SiC JFET的栅极。
常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路的控制方法，其特征是，导通第一开关管S1，第一高压源VCC1降低导通损耗；导通第二开关管S2，第一低压源VEE1及较低的第一驱动电阻R g1使常通型SiC JFET得到较开关速度；
导通第四开关管S4、第五开关管S5导通，驱动电压为第二低压源VEE2，常断型SiC JFET关断，电感L在开通前储能；导通第三开关管S3、第五开关管S5，驱动电压为第二高压源VCC2，电感L向常断型SiC JFET栅极提供峰值驱动电流；当电感L放电完成后，第二高压源VCC2通过第二驱动电阻R g2与第三驱动电阻R g3提供稳态电流。
本发明的一种常通型/常断型SiC JFET混合桥臂驱动电路及其控制方法，可同时解决以下三方面问题：（1）实现高速开关能力；（2）能够有效地减小开关器件的导通损耗、开关损耗及驱动损耗；（3）无需额外的保护电路防止未提供驱动电压时的桥臂直通现象。
附图说明
图1是现有技术中的常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路结构图；
图2是本发明常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路图；
图3是本发明中辅助开关管及常通型/常断型SiC JFET驱动电压时序图；
图中：Q1-常通型SiC JFET，Q2-常断型SiC JFET，L-常断型SiC JFET的续流电感，D-防反流二极管，S1至S6-第一至第六开关管、Rg1-第一驱动电阻即常通型SiC JFET的驱动电阻，Rg2-第二驱动电阻即上拉电阻，Rg3-第三驱动电阻即常断型SiC JFET的驱动电阻；
VEE1、VEE2-第一、第二低压源，VCC1、VCC2-第一、第二高压源。
具体实施方式
本发明提供常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路及其控制方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本发明所涉及的常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路，如图2所示，包括常通型SiC JFET、常断型SiC JFET、图腾柱结构驱动电路及电流源驱动电路；所述的图腾柱结构驱动电路及由开关管和驱动电阻连接而成；所述的电流源驱动电路由开关管、驱动电阻、二极管及电感连接而成。
在常通型SiC JFET栅极和供电电源间设有图腾柱结构驱动电路；在常断型SiC JFET栅极与供电电源间设有电流源驱动电路。
具体的说，所述图腾柱结构驱动电路包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一驱动电阻R g1；第一高压源VCC1依次顺向连接第一开关管S1、第二开关管S2、第一低压源VEE1；第一开关管S1、第二开关管S2的中间点连接第一驱动电阻即常通型SiC JFET的驱动电阻R g1的一端，常通型SiC JFET的驱动电阻R g1的另一端连接常通型SiC JFET的栅极。
所述电流源驱动电路包括第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第二驱动电阻即上拉电阻R g2、第三驱动电阻即常断型SiC JFET的驱动电阻R g3 、防返流二极管D及常断型SiC JFET的续流电感L；
第二高压源VCC2依次顺向连接上拉电阻R g2、第三开关管S3、第四开关管S4、第二低压源VEE2；第三开关管S3、第四开关管S4的中间点连接常断型SiC JFET的驱动电阻R g3的一端，常断型SiC JFET的驱动电阻R g3的另一端连接常断型SiC JFET的栅极；
第二高压源VCC2依次顺向连接第五开关管S5、第六开关管S6、第二低压源VEE2；第五开关管S5、第六开关管S6的中间点连接防返流二极管D的正极，二极管D的负极连接常断型SiC JFET的续流电感L，常断型SiC JFET的续流电感L的另一端连接常断型SiC JFET的栅极。
本实施例的工作原理为：
在图3所示的常通型SiC JFET图腾柱结构驱动电路中，当第一开关管S1导通时，驱动电压为第一高压源VCC1，能够降低导通损耗；当第二开关管S2导通时，第一低压源VEE1及较低的第一驱动电阻R g1使常通型SiC JFET能够得到较快的开关速度。当第四、第五开关管S4、S5导通时，驱动电压为负向电压第二低压源VEE2，常断型SiC JFET关断，常断型SiC JFET的续流电感L实现开通前的储能；当第三、第五开关管S3、S5导通时，驱动电压为第二高压源VCC2，电感向常断型SiC JFET栅极提供峰值驱动电流；当电感L放电完成后，第二高压源VCC2通过第二、第三驱动电阻R g2与R g3提供稳态电流。
以上实施例只是本发明的一个具体的实施电路原理图，并不以此限定本发明的保护范围。任何基于本发明所做的等效变换电路，均属于本发明保护范围。

Claims (5)

1.一种常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路，其特征是，包括常通型SiC JFET、常断型SiC JFET、图腾柱结构驱动电路及电流源驱动电路；所述的图腾柱结构驱动电路及由开关管和驱动电阻连接而成；所述的电流源驱动电路由开关管、驱动电阻、二极管及电感连接而成。
2.根据权利要求1所述的常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路，其特征是，在常通型SiC JFET栅极和供电电源间设有图腾柱结构驱动电路；在常断型SiC JFET栅极与供电电源间设有电流源驱动电路。
3.根据权利要求2所述的常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路，其特征是，所述图腾柱结构驱动电路包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一驱动电阻R g1；第一高压源VCC1依次顺向连接第一开关管S1、第二开关管S2、第一低压源VEE1；第一开关管S1、第二开关管S2的中间点连接第一驱动电阻R g1的一端，第一驱动电阻R g1的另一端连接常通型SiC JFET的栅极。
4.根据权利要求2所述的常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路，其特征是，所述电流源驱动电路包括第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第二驱动电阻R g2、第三驱动电阻R g3 、二极管D及电感L；
第二高压源VCC2依次顺向连接第二驱动电阻R g2、第三开关管S3、第四开关管S4、第二低压源VEE2；第三开关管S3、第四开关管S4的中间点连接第三驱动电阻R g3的一端，第三驱动电阻R g3的另一端连接常断型SiC JFET的栅极；
第二高压源VCC2依次顺向连接第五开关管S5、第六开关管S6、第二低压源VEE2；第五开关管S5、第六开关管S6的中间点连接二极管D的正极，二极管D的负极连接电感L，电感L的另一端连接常断型SiC JFET的栅极。
5.根据权利要求1所述的常通型/常断型SiC JFET组合型桥臂功率电路的控制方法，其特征是，导通第一开关管S1，第一高压源VCC1降低导通损耗；导通第二开关管S2，第一低压源VEE1及较低的第一驱动电阻R g1使常通型SiC JFET得到较快的开关速度；
导通第四开关管S4、第五开关管S5导通，驱动电压为第二低压源VEE2，常断型SiC JFET关断，电感L在开通前储能；导通第三开关管S3、第五开关管S5，驱动电压为第二高压源VCC2，电感L向常断型SiC JFET栅极提供峰值驱动电流；当电感L放电完成后，第二高压源VCC2通过第二驱动电阻R g2与第三驱动电阻R g3提供稳态电流。
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