CN216216816U - 一种碳化硅mosfet驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳化硅MOSFET驱动电路，包括放大单元、驱动变压器T1、稳压管D1、二极管D2、二极管D3、电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和三极管U7，其中：PWM驱动信号通过放大单元和驱动变压器T1输入串联的稳压管D1、电阻R2和电阻R3，再连接碳化硅MOSFET管的栅极，碳化硅MOSFET管的源极连接驱动变压器T1；稳压管D1与电容C1并联。本实用新型省略了正负电压源和驱动芯片，可以较好的应用在碳化硅MOSFET的驱动电路中，极大节省电路成本和简化驱动电路的设计；二极管以及三极管构成的泄放通路，加速碳化硅MOSFET的截止和降低关断时的交叉损耗。

Description

一种碳化硅MOSFET驱动电路

技术领域

本实用新型属于电子器件技术领域，具体涉及一种碳化硅MOSFET驱动电路。

背景技术

碳化硅（SiC）MOSFET以其优异的性能深受市场的广泛欢迎，但由于该器件的阈值电压（Vth）比较低（通常<2V），加之其应用频率较高，因此为了避免MOSFET误导通，这就要求驱动电路在MOSFET处于关闭状态时，在MOSFET的栅极（G）和源极（S）之间施加适当的负电压来防止MOSFET被误触发。通常情况下，碳化硅MOSFET的驱动电路都需要增加专门的驱动IC及正负电压源来实现，这样的驱动电路比较复杂且成本较高。

实用新型内容

技术目的：针对现有技术中存在的问题，本实用新型公开了一种新的碳化硅MOSFET驱动电路。

技术方案：为实现上述技术目的，本实用新型采用以下技术方案：一种碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，包括放大单元、驱动变压器T1、稳压管D1、二极管D2、二极管D3、电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和三极管U7，其中，三极管U7为PNP型三极管，驱动变压器T1一次侧的输入端口为端口1和端口2，驱动变压器T1二次侧的输出端口为端口3和端口4，其中，端口1和端口3为同名端；

PWM驱动信号连接放大单元的输入端，放大单元的输出端连接驱动变压器T1的端口1，驱动变压器T1的端口2接地；

驱动变压器T1的端口3通过依次串联的稳压管D1、电阻R2和电阻R3连接碳化硅MOSFET管Q1的栅极，驱动变压器T1的端口4连接碳化硅MOSFET管Q1的源极，稳压管D1的负极连接驱动变压器T1的端口3，稳压管D1与电容C1并联；

稳压管D1的正极连接二极管D2的正极，二极管D2的负极通过电阻R1连接碳化硅MOSFET管Q1的源极，二极管D3的正极连接电阻R2和电阻R3的公共端，二极管D3的负极连接三极管U7的发射极，三极管U7的基极连接稳压管D1的正极，三极管U7的集电极连接碳化硅MOSFET管Q1的源极。

优选地，放大单元包括三极管U1和三极管U2，三极管U1为NPN型三极管，三极管U2为PNP型三极管；

PWM驱动信号连接三极管U1的基极和三极管U2的基极，三极管U1的集电极连接Vcc电压，三极管U2的集电极接地，三极管U1的发射极和三极管U2的发射极连接驱动变压器T1的端口1。

优选地，稳压管D1的压降的取值范围为3.3V~5.1V。

优选地，电容C1的电容量的取值范围为0.68μF ~1μF。

优选地，电阻R1的电阻值的取值范围为6.8 KΩ~10KΩ。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型所述驱动电路省略了正负电压源和驱动芯片，可以较好的应用在碳化硅MOSFET的驱动电路中，可以极大节省电路成本，可以极大简化驱动电路的设计，也可适用于桥式结构的驱动电路；同时本实用新型采用电阻、二极管以及三极管构成两条泄放通路，可以加速碳化硅MOSFET的截止，降低碳化硅MOSFET关断时的交叉损耗。

附图说明

图1为本实用新型所述驱动电路的电路结构示意图；

图2为为本实用新型所述驱动电路在半桥拓扑中的应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

本实用新型公开了一种碳化硅MOSFET驱动电路，放大单元、驱动变压器T1、稳压管D1、二极管D2、二极管D3、电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和三极管U7，其中，三极管U7为PNP型三极管，驱动变压器T1一次侧的输入端口为端口1和端口2，驱动变压器T1二次侧的输出端口为端口3和端口4，其中，端口1和端口3为同名端。

PWM驱动信号连接放大单元的输入端，放大单元的输出端连接驱动变压器T1的端口1，驱动变压器T1的端口2接地。本实用新型的一种实施例中，放大单元为由三极管U1和三极管U2构成的图腾柱电路，其中，三极管U1为NPN型三极管，三极管U2为PNP型三极管， 具体的：PWM驱动信号连接三极管U1的基极和三极管U2的基极，三极管U1的集电极连接Vcc电压，三极管U2的集电极接地，三极管U1的发射极和三极管U2的发射极连接驱动变压器T1的端口1。

驱动变压器T1的端口3通过依次串联的稳压管D1、电阻R2和电阻R3连接碳化硅MOSFET管Q1的栅极，驱动变压器T1的端口4连接碳化硅MOSFET管Q1的源极，具体的：稳压管D1与电容C1并联，稳压管D1的负极连接驱动变压器T1的端口3，稳压管D1的正极连接电阻R2的第一端，电阻R2的第二端连接电阻R3的第一端，电阻R3的第二端连接到碳化硅MOSFET管Q1的栅极；

稳压管D1的正极连接二极管D2的正极，二极管D2的负极通过电阻R1连接碳化硅MOSFET管Q1的源极以及驱动变压器T1的端口4，二极管D3的正极连接电阻R2和电阻R3的公共端，二极管D3的负极连接三极管U7的发射极，三极管U7的基极连接稳压管D1的正极，三极管U7的集电极连接碳化硅MOSFET管Q1的源极以及驱动变压器T1的端口4。

本实用新型中，二极管D2和二极管D3采用的型号为1N4148。

本实用新型中，稳压管D1的压降的取值决定了“负电压”的深度，依据碳化硅MOSFET的特性，稳压管D1的压降的取值范围为3.3V~5.1V。

本实用新型中，电容C1的电容量的取值范围为0.68μF ~1μF。

本实用新型中，电阻R1的电阻值的取值范围为6.8 KΩ~10KΩ。

碳化硅MOSFET相比于硅MOSFET在驱动电压上有较严格的要求，硅MOSFET的驱动电压只要求在10-12V即可，但碳化硅MOSFET的驱动必须在18-20V，所以，需要调整驱动变压器T1的匝数比，将驱动变压器T1二次侧的输出电压调高至合适的范围，使得Vgs在18-20V。在不考虑三极管U1、三极管U2及电阻R2、电阻R3压降的情况下：

Vgs=Vt-Vd1

Vt=Vcc*(Np/Ns)=Vcc*N

Vgs=Vcc*N-Vd1

其中，Vgs为碳化硅MOSFET的驱动电压；Vt为驱动变压器T1二次侧端口3、端口4之间的电压；Vd1为稳压管D1的稳压值；Vcc为系统电源电压；N为驱动变压器T1一次侧绕组Np的匝数与二次侧绕组Ns的匝数的比值。

通常，碳化硅的驱动以专用的驱动芯片为主，由于碳化硅MOSFET要求负压关断，所以这种驱动方案都要配置正、负电压源作为驱动芯片的电源；而本实用新型中的“正压”可以与电路中的Vcc电压共用，“负压”是由稳压管D1及并联在稳压管D1上的电容C1共同作用完成：在正向导通时，对电容C1进行充电，在电容C1上形成左“+”右“-”的电压，电压幅度等于稳压管D1的稳压值；在截止阶段，电容C1左端相当于“地”（0V），所以右端就会形成相应的负电压，因此可以省略正负电压源以及驱动芯片。

实施例1

本实施例中驱动电路的工作原理如下：

1、碳化硅MOSFET管Q1导通：

PWM驱动信号通过由三极管U1和三极管U2组成的图腾柱电路放大后，再经驱动变压器T1输出到串联的稳压管D1、电阻R2和电阻R3，最后施加在碳化硅MOSFET管Q1的栅极和源极，此时三极管U7的基极为高电平，三极管U7截止，碳化硅MOSFET管Q1导通工作，此时碳化硅MOSFET管Q1的栅源电压Vgs等于驱动变压器T1的端口3和端口4之间的电压减去稳压管D1的压降；同时，驱动变压器T1的端口3和端口4之间的电压也会对并联在稳压管D1上的电容C1进行充电，在电容C1上形成左“+”右“-”的电压，电压幅度等于稳压管D1的稳压值。

2、碳化硅MOSFET管Q1截止：

此时PWM驱动信号输出端等同于“地”电位，因此驱动变压器T1的端口3也等同于“地”电位，电容C1由于在导通时充电，此时相当于“+”端接地，而“-”端就是-5.1V，通过电阻R2和电阻R3施加在碳化硅MOSFET管Q1的栅极和源极，碳化硅MOSFET管Q1截止，此时碳化硅MOSFET管Q1的栅源电压Vgs等于-5.1V。此时，三极管U7的的基极为低电平，三极管U7导通，存储在碳化硅MOSFET管Q1结电容中的“正”电除了可以通过二极管D2与电阻R1构成的通路泄放掉，还可以通过二极管D3与三极管U7构成的通路泄放，即快速通过二极管D3以及三极管U7的发射极、集电极泄放到地，从而加速碳化硅MOSFET管Q1的截止，降低碳化硅MOSFET管Q1关断时的交叉损耗。二极管D2和二极管D3的此种接法其作用是，阻止碳化硅MOSFET管Q1截止期间电容C1上的负电压放电。

实施例2

本实施例中的碳化硅MOSFET驱动电路应用于半桥拓扑中，包括双通道PWM控制器、高压侧驱动电路和低压侧驱动电路，其中：

高压侧驱动电路包括三极管U3、三极管U4、三极管U8、驱动变压器T2、稳压管D4、二极管D5、二极管D6、电容C2、电阻R4、电阻R5和电阻R6，其中：三极管U3为NPN型三极管，三极管U4和三极管U8为PNP型三极管，驱动变压器T2一次侧的输入端口为端口1和端口2，驱动变压器T2二次侧的输出端口为端口3和端口4，其中，端口1和端口3为同名端；

双通道PWM控制器的高压侧输出端口Gate-H输出的PWM驱动信号通过由三极管U3和三极管U4构成的图腾柱电路连接到驱动变压器T2的端口1，具体的：双通道PWM控制器的输出端口Gate-H连接三极管U3的基极和三极管U4的基极，三极管U3的集电极连接Vcc电压，三极管U4的集电极接地，三极管U3的发射极和三极管U4的发射极连接驱动变压器T2的端口1，驱动变压器T2的端口2接地；

驱动变压器T2的端口3通过依次串联的稳压管D4、电阻R5和电阻R6连接碳化硅MOSFET管Q2的栅极，驱动变压器T2的端口4连接碳化硅MOSFET管Q2的源极，具体的：稳压管D4与电容C2并联，稳压管D4的负极连接驱动变压器T2的端口3，稳压管D4的正极连接电阻R5的第一端，电阻R5的第二端连接电阻R6的第一端，电阻R6的第二端连接到碳化硅MOSFET管Q2的栅极；

稳压管D4的正极连接二极管D5的正极，二极管D5的负极通过电阻R4连接碳化硅MOSFET管Q2的源极以及驱动变压器T2的端口4，二极管D6的正极连接电阻R5和电阻R6的公共端，二极管D6的负极连接三极管U8的发射极，三极管U8的基极连接稳压管D4的正极，三极管U8的集电极连接碳化硅MOSFET管Q2的源极以及驱动变压器T2的端口4。

低压侧驱动电路包括三极管U5、三极管U6、三极管U9、驱动变压器T3、稳压管D4、二极管D5、二极管D6、电容C2、电阻R4、电阻R5和电阻R6，其中：三极管U5为NPN型三极管，三极管U6和三极管U9为PNP型三极管，驱动变压器T3一次侧的输入端口为端口1和端口2，驱动变压器T3二次侧的输出端口为端口3和端口4，其中，端口1和端口3为同名端。

双通道PWM控制器的低压侧输出端口Gate-L输出的PWM驱动信号通过由三极管U5和三极管U6构成的图腾柱电路连接到驱动变压器T3的端口1，具体的：双通道PWM控制器的输出端口Gate-L连接三极管U5的基极和三极管U6的基极，三极管U5的集电极连接Vcc电压，三极管U6的集电极接地，三极管U5的发射极和三极管U6的发射极连接驱动变压器T3的端口1，驱动变压器T3的端口2接地；

驱动变压器T3的端口3通过依次串联的稳压管D7、电阻R8和电阻R9连接碳化硅MOSFET管Q3的栅极，驱动变压器T3的端口4连接碳化硅MOSFET管Q3的源极具体的：稳压管D7与电容C3并联，稳压管D7的负极连接驱动变压器T3的端口3，稳压管D7的正极连接电阻R8的第一端，电阻R8的第二端连接电阻R9的第一端，电阻R9的第二端连接到碳化硅MOSFET管Q3的栅极；

稳压管D7的正极连接二极管D8的正极，二极管D8的负极通过电阻R7连接碳化硅MOSFET管Q3的源极以及驱动变压器T1的端口4，二极管D9的正极连接电阻R8和电阻R9的公共端，二极管D9的负极连接三极管U9的发射极，三极管U9的基极连接稳压管D7的正极，三极管U9的集电极连接碳化硅MOSFET管Q3的源极以及驱动变压器T3的端口4。

碳化硅MOSFET管Q2的源极连接碳化硅MOSFET管Q3的漏极。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，包括放大单元、驱动变压器T1、稳压管D1、二极管D2、二极管D3、电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和三极管U7，其中，三极管U7为PNP型三极管，驱动变压器T1一次侧的输入端口为端口1和端口2，驱动变压器T1二次侧的输出端口为端口3和端口4，其中，端口1和端口3为同名端；

PWM驱动信号连接放大单元的输入端，放大单元的输出端连接驱动变压器T1的端口1，驱动变压器T1的端口2接地；

驱动变压器T1的端口3通过依次串联的稳压管D1、电阻R2和电阻R3连接碳化硅MOSFET管Q1的栅极，驱动变压器T1的端口4连接碳化硅MOSFET管Q1的源极，稳压管D1的负极连接驱动变压器T1的端口3，稳压管D1与电容C1并联；

稳压管D1的正极连接二极管D2的正极，二极管D2的负极通过电阻R1连接碳化硅MOSFET管Q1的源极，二极管D3的正极连接电阻R2和电阻R3的公共端，二极管D3的负极连接三极管U7的发射极，三极管U7的基极连接稳压管D1的正极，三极管U7的集电极连接碳化硅MOSFET管Q1的源极。

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，放大单元包括三极管U1和三极管U2，三极管U1为NPN型三极管，三极管U2为PNP型三极管；

PWM驱动信号连接三极管U1的基极和三极管U2的基极，三极管U1的集电极连接Vcc电压，三极管U2的集电极接地，三极管U1的发射极和三极管U2的发射极连接驱动变压器T1的端口1。

3.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，稳压管D1的压降的取值范围为3.3V~5.1V。

4.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，电容C1的电容量的取值范围为0.68μF ~1μF。

5.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOSFET驱动电路，其特征在于，电阻R1的电阻值的取值范围为6.8 KΩ~10KΩ。

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