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CN108336896A - 负压驱动电路 - Google Patents

负压驱动电路 Download PDF

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CN108336896A
CN108336896A CN201810272518.9A CN201810272518A CN108336896A CN 108336896 A CN108336896 A CN 108336896A CN 201810272518 A CN201810272518 A CN 201810272518A CN 108336896 A CN108336896 A CN 108336896A
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power switch
switch tube
diode
resistance
driving circuit
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CN201810272518.9A
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钟小芬
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Zhuhai Ga Future Technology Co ltd
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Titanium Platinum Technology (shenzhen) Co Ltd
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
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  • Power Engineering (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

一种负压驱动电路，包括：第一功率开关管、第二功率开关管、隔离驱动变压器、第一驱动回路及第二驱动回路；隔离驱动变压器的原边绕组两端分别接入第一PWM信号和与该第一PWM信号相位交错的第二PWM信号；第所述第一驱动回路、第二驱动回路用于接入所述副边绕组的感应电压，以向所述第一、第二功率开关管提供使其导通的正驱动电压以及使其关闭的所述第一、第二功率开关管负驱动电压。相比于传统的驱动电路，高频负压驱动能够在开关断开的过程中以小于零的负压快速关断功率开关管，有效防止米勒效应带来的二次导通问题，消除米勒振荡引起的电路损耗，提高驱动电路的抗干扰性，保护开关器件。

Description

负压驱动电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种负压驱动电路。
背景技术
随着电力电子技术的迅速发展，功率变换器正向着高功率密度和高效率的方向发展。随着基于第三代半导体材料的宽禁带半导体器件的推出，功率变换器的工作频率以及变换效率都得到了显著的提升。作为宽禁带半导体器件的典型代表，SiC(SiliconCarbide，碳化硅)、GaN(Gallium Nitride，氮化镓)等器件具有小的导通电阻和极小的寄生电容，使得它可以工作在MHz的开关频率处，从而在保证变换器效率相当的情况下，极大地减小了无源器件的体积和重量，提高了变换器的功率密度。
功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化层半导体场效晶体管)属于电压控制型器件,当其栅极和源极之间施加的电压超过其阀值电压时，MOSFET就会导通。由于MOSFET存在米勒电容，关断时由于米勒效应，漏极电压的突然上升将会通过米勒电容在栅极产生干扰电压，干扰电压容易造成MOSFET的误触发，产生二次导通而损坏器件。
传统的互补驱动电路虽然关断回路阻抗较小，关断速度较快，但它不能提供负压驱动，抗干扰性能较差，存在米勒振荡而引起的二次导通导致器件损坏。
发明内容
本发明提供一种负压驱动电路，以解决传统的技术方案中存在不能提供负压驱动，抗干扰性能较差，存在米勒振荡而引起的二次导通导致器件损坏的问题。
一种负压驱动电路，包括：
第一功率开关管，高电位端接电源信号；
第二功率开关管，高电位端接所述第一功率开关管的低电位端，所述第二功率开关管的低电位端接地；
隔离驱动变压器，具有相互耦合的一原边绕组、第一副边绕组及第二副边绕组，其中，所述原边绕组两端分别接入第一PWM信号和与该第一PWM信号相位交错的第二PWM信号；
第一驱动回路，其第一输入端接所述第一副边绕组的同名端，第二输入端接所述第一副边绕组的非同名端，第一输出端接所述第一功率开关管的控制端，第二输出端接所述第一功率开关管的低电位端，所述第一驱动回路用于接入所述第一副边绕组的感应电压，以向所述第一功率开关管提供使其导通的正驱动电压以及使其关闭的所述第一功率开关管负驱动电压；及
第二驱动回路，其第一输入端接所述第二副边绕组的非同名端，第二输入端接所述第二副边绕组的同名端，第一输出端接所述第二功率开关管的控制端，第二输出端接地，所述第二驱动回路用于接入所述第二副边绕组的感应电压，以向所述第二功率开关管提供使其导通的正驱动电压以及使其关闭的所述第二功率开关管负驱动电压。
在其中一种实施方式中，所述第一驱动回路包括第一整流器、第一二极管、第二二极管、第一稳压模块、第三功率开关管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻及第五电阻；
所述第一整流器的输入端作为所述第一驱动回路的第一输入端与第一副边绕组的同名端连接，所述第一电阻与所述第一整流器并联，所述第一整流器的输出端与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端作为所述第一驱动回路的第一输出端接所述第一功率开关管的控制端；所述第三功率开关管的高电位端通过第三电阻接所述第二电阻的另一端，所述第三功率开关管的控制端通过第四电阻接所述第一整流器的输出端，所述第三功率开关管的控制端还接所述第一二极管的阴极，所述第三功率开关管的低电位端接所述第一二极管的阳极以及所述第一稳压模块的输出端，所述第一二极管的阴极作为所述第一驱动回路的第二输入端与所述第一副边绕组的非同名端连接；所述第二二极管的阳极接所述第二电阻的另一端，所述第二二极管的阴极接所述第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端作为所述第一驱动回路的第二输出端接所述第一功率开关管的低电位端，所述第一稳压模块的输入端接所述第五电阻的另一端。
在其中一种实施方式中，所述第一稳压模块包括第一稳压二极管和第一电容，所述第一稳压二极管的阳极接所述第一二极管的阳极，所述第一稳压二极管的阴极接所述第五电阻的另一端，所述第一电容与所述第一稳压二极管并联。
在其中一种实施方式中，所述第三功率开关管为MOS管或三极管。
在其中一种实施方式中，所述第一整流器包括一二极管，所述第一整流器的输入端和输出端分别为二极管的阳极和阴极。
在其中一种实施方式中，所述第二驱动回路包括第二整流器、第三二极管、第四二极管、第二稳压模块、第四功率开关管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻及第十电阻；
所述第二整流器的输入端作为所述第二驱动回路的第一输入端与第二副边绕组的同名端连接，所述第六电阻与所述第二整流器并联，所述第二整流器的输出端与所述第七电阻的一端连接，所述第七电阻的另一端作为所述第二驱动回路的第一输出端接所述第二功率开关管的控制端；所述第四功率开关管的高电位端通过第八电阻接所述第七电阻的另一端，所述第四功率开关管的控制端通过第九电阻接所述第二整流器的输出端，所述第四功率开关管的控制端还接所述第三二极管的阴极，所述第四功率开关管的低电位端接所述第三二极管的阳极以及所述第二稳压模块的输出端，所述第三二极管的阴极作为所述第二驱动回路的第二输入端与所述第二副边绕组的同名端连接；所述第四二极管的阳极接所述第七电阻的另一端，所述第四二极管的阴极接所述第十电阻的一端，所述第十电阻的另一端作为所述第二驱动回路的第二输出端接所述第二功率开关管的低电位端，所述第二稳压模块的输入端接所述第十电阻的另一端。
在其中一种实施方式中，所述第二稳压模块包括第二稳压二极管和第二电容，所述第二稳压二极管的阳极接所述第二整流器的输入端，所述第二稳压二极管的阴极接所述第十电阻的另一端，所述第二电容与所述第二稳压二极管并联。
在其中一种实施方式中，所述第四功率开关管为MOS管或三极管。
在其中一种实施方式中，所述第二整流器包括一二极管，所述第二整流器的输入端和输出端分别为二极管的阳极和阴极。
在其中一种实施方式中，所述第一功率开关管和第二功率开关管为SiCMOS管、GaNMOS管、IGBT或Si MOS管。
上述负压驱动电路相比于传统的驱动电路，高频负压驱动能够在开关断开的过程中以小于零的负压快速关断功率开关管，有效防止米勒效应带来的二次导通问题，消除米勒振荡引起的电路损耗，提高驱动电路的抗干扰性，保护开关器件。
附图说明
图1为本发明实施例中负压驱动电路示意图；
图2为图1所示的负压驱动电路的驱动工作过程示意图；
图3为图1所示的负压驱动电路的驱动工作过程仿真波形图；
图4为图1所示的负压驱动电路的驱动工作过程实测波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明较佳实施例中宽禁带半导体晶体管的负压驱动电路包括第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、隔离驱动变压器TR、第一驱动回路11及第二驱动回路12。
第一功率开关管Q1的高电位端接电源信号VBULK；第一功率开关管Q1的低电位端接第二功率开关管Q2高电位端，第二功率开关管Q2的低电位端接地；隔离驱动变压器TR具有相互耦合的一原边绕组TR1、第一副边绕组TR2及第二副边绕组TR3，其中，原边绕组TR1两端分别接入第一PWM信号PWMA和与该第一PWM信号PWMA相位180度交错的第二PWM信号PWMB。
第一驱动回路11，其第一输入端接第一副边绕组TR2的同名端，第二输入端接第一副边绕组TR2的非同名端，第一输出端接第一功率开关管Q1的控制端，第二输出端接第一功率开关管Q1的低电位端，第一驱动回路11用于接入第一副边绕组TR2的感应电压，以向第一功率开关管Q1提供使其导通的正驱动电压以及使其关闭的第一功率开关管Q1负驱动电压。
第二驱动回路12，其第一输入端接第二副边绕组TR3的非同名端，第二输入端接第二副边绕组TR3的同名端，第一输出端接第二功率开关管Q2的控制端，第二输出端接地，第二驱动回路12用于接入第二副边绕组TR3的感应电压，以向第二功率开关管Q2提供使其导通的正驱动电压以及使其关闭的第二功率开关管Q2负驱动电压。
相比于传统的驱动电路，高频负压驱动能够在开关断开的过程中以小于零的负压快速关断功率开关管，有效防止米勒效应带来的二次导通问题，消除米勒振荡引起的电路损耗，提高驱动电路的抗干扰性，保护开关器件。
在其中一种实施方式中，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2为SiCMOS管、GaNMOS管、IGBT或Si MOS管。图示实施方式中，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2为N沟道开关器件。
在其中一种实施方式中，第一驱动回路11包括第一整流器D0、第一二极管D1、第二二极管D2、第一稳压模块111、第三功率开关管Q3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4及第五电阻R5；
第一整流器D0的输入端作为第一驱动回路11的第一输入端与第一副边绕组TR2的同名端连接，第一电阻R1与第一整流器D0并联，第一整流器D0的输出端与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端作为第一驱动回路11的第一输出端接第一功率开关管Q1的控制端；第三功率开关管Q3的高电位端通过第三电阻R3接第二电阻R2的另一端，第三功率开关管Q3的控制端通过第四电阻R4接第一整流器D0的输出端，第三功率开关管Q3的控制端还接第一二极管D1的阴极，第三功率开关管Q3的低电位端接第一二极管D1的阳极以及第一稳压模块111的输出端，第一二极管D1的阴极作为第一驱动回路11的第二输入端与第一副边绕组TR2的非同名端连接；第二二极管D2的阳极接第二电阻R2的另一端，第二二极管D2的阴极接第五电阻R5的一端，第五电阻R5的另一端作为第一驱动回路11的第二输出端接第一功率开关管Q1的低电位端，第一稳压模块111的输入端接第五电阻R5的另一端。
在其中一种实施方式中，第一稳压模块111包括第一稳压二极管ZD1和第一电容C1，第一稳压二极管ZD1的阳极接第一二极管D1的阳极，第一稳压二极管ZD1的阴极接第五电阻R5的另一端，第一电容C1与第一稳压二极管ZD1并联。
在其中一种实施方式中，第三功率开关管Q3为MOS管或三极管。图示实施例中，第三功率开关管Q3为小信号的N型MOS管，在其他实施方式中也可以用其他形式的开关元件，如P型MOS管，或NPN/PNP类型的三极管代替。
在其中一种实施方式中，第一整流器D0包括一二极管，第一整流器D0的输入端和输出端分别为二极管的阳极和阴极。在其他实施方式中，第一整流器D0可以为半桥整流器或全桥整流器。
在其中一种实施方式中，第二驱动回路12包括第二整流器D0’、第三二极管D3、第四二极管D4、第二稳压模块121、第四功率开关管Q4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9及第十电阻R10；
第二整流器D0’的输入端作为第二驱动回路12的第一输入端与第二副边绕组TR3的同名端连接，第六电阻R6与第二整流器D0’并联，第二整流器D0’的输出端与第七电阻R7的一端连接，第七电阻R7的另一端作为第二驱动回路12的第一输出端接第二功率开关管Q2的控制端；第四功率开关管Q4的高电位端通过第八电阻R8接第七电阻R7的另一端，第四功率开关管Q4的控制端通过第九电阻R9接第二整流器D0’的输出端，第四功率开关管Q4的控制端还接第三二极管D3的阴极，第四功率开关管Q4的低电位端接第三二极管D3的阳极以及第二稳压模块121的输出端，第三二极管D3的阴极作为第二驱动回路12的第二输入端与第二副边绕组TR3的同名端连接；第四二极管D4的阳极接第七电阻R7的另一端，第四二极管D4的阴极接第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端作为第二驱动回路12的第二输出端接第二功率开关管Q2的低电位端，第二稳压模块121的输入端接第十电阻R10的另一端。
在其中一种实施方式中，第二稳压模块121包括第二稳压二极管ZD2和第二电容C2，第二稳压二极管ZD2的阳极接第二整流器D0’的输入端，第二稳压二极管ZD2的阴极接第十电阻R10的另一端，第二电容C2与第二稳压二极管ZD2并联。
在其中一种实施方式中，第四功率开关管Q4为MOS管或三极管。图示实施例中，第四功率开关管Q3为小信号的N型MOS管，在其他实施方式中也可以用其他形式的开关元件，如P型MOS管，或NPN/PNP类型的三极管代替。
在其中一种实施方式中，第二整流器D0’包括一二极管，第二整流器D0’的输入端和输出端分别为二极管的阳极和阴极。在其他实施方式中，第一整流器D0可以为半桥整流器或全桥整流器。
请参阅图2，驱动工作过程示意图，其工作过程分为以下四个阶段
阶段1：第一PWM信号PWMA为高电平，第二PWM信号PWMB为低电平0V。驱动回路的电流流向如示意图中的箭头所示。对于第一功率开关管Q1，驱动电流从源极S经过并联的稳压管ZD1和电容C1，电容两端压降等于稳压管ZD1的稳压值，由此提供稳定的驱动负压V_ZD1；驱动电流继续流经二极管D1，此时第三功率开关管(N沟道小信号MOS管)Q3由于Vgs_Q3＝-0.7V而处于关闭状态；驱动电流继续流经隔离驱动变压器TR的第一副边绕组TR2，二极管D0，驱动电阻R2而到达第一功率开关管Q1的栅极G。其驱动电压Vgs_Q1＝V_PWMA/N-V_ZD1-1.4V，此时第一功率开关管Q1导通，其中N是隔离驱动变压器TR的匝比。对于第二功率开关管Q2，隔离驱动变压器TR的第二副边绕组TR3的驱动电压作用在第四功率开关管(N沟道小信号MOS管)Q4的栅极G以及电阻R9、R6上，Q4导通；第二功率开关管Q2的栅极电荷经过驱动电阻R8、第四功率开关管Q4、并联的稳压管ZD2和电容C2回到源极S获得释放，其驱动电压是负压：Vgs_Q2＝-V_ZD2，由此保证了第二功率开关管Q2关断的可靠性。
阶段2：第一PWM信号PWMA为低电平0V，第二PWM信号PWMB也为低电平0V。此时驱动变压器TR的第一副边绕组TR2和第二副边绕组TR3输出电压为0V，电阻R1和R4成为并联关系，电阻R6和R9也成为并联关系。对于第一功率开关管Q1，栅极G的电荷通过驱动电阻R2以及并联的R1、R4到达第三功率开关管Q3的栅极，而第三功率开关管Q3的源极S连接到并联的稳压管ZD1和电容C1负压端-V_ZD1，因此第三功率开关管Q3导通；同时第一功率开关管Q1的栅极电荷通过驱动电阻R3、MOSFET Q3、并联的稳压管ZD1和电容C1回到源极S获得释放，其驱动电压是负压：Vgs_Q1＝-V_ZD1，由此保证了第一功率开关管Q1关断的可靠性。对于第二功率开关管Q2，与第一功率开关管Q1的过程一致，其栅极电荷通过驱动电阻R8、第四功率开关管Q4、并联的稳压管ZD2和电容C2回到源极S获得释放，其驱动电压也是负压：Vgs_Q2＝-V_ZD2，由此保证了第二功率开关管Q2关断的可靠性。二极管D2和电阻R5的作用是在电路不工作时给第一功率开关管Q1提供静电荷释放通路，二极管D2还可以保持电容C1电容上的贮存的负电压电荷不容易被释放掉；二极管D4和电阻R10的作用与二极管D2和电阻R5一样的作用，用于给第二功率开关管Q2提供静电荷释放通路，以及保持电容C2上的贮存的负电压电荷。
阶段3：第一PWM信号PWMA为低电平0V，第二PWM信号PWMB为高电平。这个阶段的工作过程与阶段1相似，第二功率开关管Q2获得正驱动电压Vgs_Q2＝V_PWMB/N-V_ZD2-1.4V而导通；第一功率开关管Q1获得负驱动电压Vgs_Q1＝-V_ZD1而保持关闭。
阶段4：PWMA为低电平0V，第二PWM信号PWMB也为低电平0V。这个阶段的工作过程与阶段2相似，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2都获得负驱动电压而保持可靠的关闭状态。
请参阅图3，是上述四个阶段工作过程的仿真波形图。从仿真结果看，符合工作过程的分析描述。更进一步的，请参阅图4，是根据仿真参数搭建的实物的Vgs波形及Vds波形，与仿真结果相吻合。
经过上述四个阶段，实现了半桥拓扑第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2的负电压驱动，提高了抗干扰能力，提高了系统的可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种负压驱动电路，其特征在于，包括：
第一功率开关管，高电位端接电源信号；
第二功率开关管，高电位端接所述第一功率开关管的低电位端，所述第二功率开关管的低电位端接地；
隔离驱动变压器，具有相互耦合的一原边绕组、第一副边绕组及第二副边绕组，其中，所述原边绕组两端分别接入第一PWM信号和与该第一PWM信号相位交错的第二PWM信号；
第一驱动回路，其第一输入端接所述第一副边绕组的同名端，第二输入端接所述第一副边绕组的非同名端，第一输出端接所述第一功率开关管的控制端，第二输出端接所述第一功率开关管的低电位端，所述第一驱动回路用于接入所述第一副边绕组的感应电压，以向所述第一功率开关管提供使其导通的正驱动电压以及使其关闭的所述第一功率开关管负驱动电压；及
第二驱动回路，其第一输入端接所述第二副边绕组的非同名端，第二输入端接所述第二副边绕组的同名端，第一输出端接所述第二功率开关管的控制端，第二输出端接地，所述第二驱动回路用于接入所述第二副边绕组的感应电压，以向所述第二功率开关管提供使其导通的正驱动电压以及使其关闭的所述第二功率开关管负驱动电压。
2.如权利要求1所述的负压驱动电路，其特征在于，所述第一驱动回路包括第一整流器、第一二极管、第二二极管、第一稳压模块、第三功率开关管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻及第五电阻；
所述第一整流器的输入端作为所述第一驱动回路的第一输入端与所述第一副边绕组的同名端连接，所述第一电阻与所述第一整流器并联，所述第一整流器的输出端与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端作为所述第一驱动回路的第一输出端接所述第一功率开关管的控制端；所述第三功率开关管的高电位端通过第三电阻接所述第二电阻的另一端，所述第三功率开关管的控制端通过第四电阻接所述第一整流器的输出端，所述第三功率开关管的控制端还接所述第一二极管的阴极，所述第三功率开关管的低电位端接所述第一二极管的阳极以及所述第一稳压模块的输出端，所述第一二极管的阴极作为所述第一驱动回路的第二输入端与所述第一副边绕组的非同名端连接；所述第二二极管的阳极接所述第二电阻的另一端，所述第二二极管的阴极接所述第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端作为所述第一驱动回路的第二输出端接所述第一功率开关管的低电位端，所述第一稳压模块的输入端接所述第五电阻的另一端。
3.如权利要求2所述的负压驱动电路，其特征在于，所述第一稳压模块包括第一稳压二极管和第一电容，所述第一稳压二极管的阳极接所述第一二极管的阳极，所述第一稳压二极管的阴极接所述第五电阻的另一端，所述第一电容与所述第一稳压二极管并联。
4.如权利要求2所述的负压驱动电路，其特征在于，所述第三功率开关管为MOS管或三极管。
5.如权利要求2所述的负压驱动电路，其特征在于，所述第一整流器包括一二极管，所述第一整流器的输入端和输出端分别为二极管的阳极和阴极。
6.如权利要求1至5任一项所述的负压驱动电路，其特征在于，所述第二驱动回路包括第二整流器、第三二极管、第四二极管、第二稳压模块、第四功率开关管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻及第十电阻；
所述第二整流器的输入端作为所述第二驱动回路的第一输入端与所述第二副边绕组的非同名端连接，所述第六电阻与所述第二整流器并联，所述第二整流器的输出端与所述第七电阻的一端连接，所述第七电阻的另一端作为所述第二驱动回路的第一输出端接所述第二功率开关管的控制端；所述第四功率开关管的高电位端通过第八电阻接所述第七电阻的另一端，所述第四功率开关管的控制端通过第九电阻接所述第二整流器的输出端，所述第四功率开关管的控制端还接所述第三二极管的阴极，所述第四功率开关管的低电位端接所述第三二极管的阳极以及所述第二稳压模块的输出端，所述第三二极管的阴极作为所述第二驱动回路的第二输入端与所述第二副边绕组的同名端连接；所述第四二极管的阳极接所述第七电阻的另一端，所述第四二极管的阴极接所述第十电阻的一端，所述第十电阻的另一端作为所述第二驱动回路的第二输出端接所述第二功率开关管的低电位端，所述第二稳压模块的输入端接所述第十电阻的另一端。
7.如权利要求6所述的负压驱动电路，其特征在于，所述第二稳压模块包括第二稳压二极管和第二电容，所述第二稳压二极管的阳极接所述第二整流器的输入端，所述第二稳压二极管的阴极接所述第十电阻的另一端，所述第二电容与所述第二稳压二极管并联。
8.如权利要求6所述的负压驱动电路，其特征在于，所述第四功率开关管为MOS管或三极管。
9.如权利要求6所述的负压驱动电路，其特征在于，所述第二整流器包括一二极管，所述第二整流器的输入端和输出端分别为二极管的阳极和阴极。
10.如权利要求1所述的负压驱动电路，其特征在于，所述第一功率开关管和第二功率开关管为SiC MOS管、GaN MOS管、IGBT或Si MOS管。
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