本發(fā)明涉及橋式功率轉(zhuǎn)換器的柵驅(qū)動電路，尤其涉及一種采用SiC功率管(SiC材料的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的橋式功率轉(zhuǎn)換器的柵驅(qū)動電路。

背景技術(shù)：

目前，功率轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)頻率越來越高，開關(guān)頻率的增高帶來的優(yōu)點如下：①電路中的儲能器件(電感、變壓器、電容等)體積相應(yīng)的減小。②整個電路的功率密度進一步增大。但是開關(guān)頻率的增大也帶了開關(guān)損耗的增加。對于柵驅(qū)動電路來說，不僅要解決由于開關(guān)頻率增大帶來的開關(guān)損耗增大的問題，同時還要解決柵驅(qū)動電路中有關(guān)次級SiC MOSFET管誤導(dǎo)通和直通的相關(guān)問題。

橋式轉(zhuǎn)換器的柵驅(qū)動電路傳統(tǒng)上都是采用耦合變壓器隔離電壓源驅(qū)動或者采用沒有隔離的諧振柵驅(qū)動電路，傳統(tǒng)的耦合變壓器隔離電壓源驅(qū)動的柵驅(qū)動電路雖然能夠驅(qū)動全橋轉(zhuǎn)換器，但由于其次級串聯(lián)的電阻以及SiC MOSFET管的寄生電阻上仍然會消耗大量的功率，并且這種柵驅(qū)動電路的初級驅(qū)動電路部分的功率管的開關(guān)損耗也非常大，由此便會導(dǎo)致這種柵驅(qū)動電路的效率比較低。而沒有隔離的諧振柵驅(qū)動電路，當(dāng)其輸入電壓變高時，則需要諧振電感必須明顯的升高，這樣便使得電感的儲能增大，最終導(dǎo)致出現(xiàn)SiC MOSFET管誤觸發(fā)的現(xiàn)象，由此可知沒有隔離的諧振柵驅(qū)動電路并不適合全橋轉(zhuǎn)換器。所以，針對于橋式變換器的柵驅(qū)動電路，降低其開關(guān)損耗、提高其效率、降低偽觸發(fā)脈沖引起的誤導(dǎo)通的概率、降低SiC MOSFET管發(fā)生直通的概率并提高其穩(wěn)定性十分重要。

近年來，很多的柵驅(qū)動設(shè)計方案主要集中在解決開關(guān)損耗過大的一個問題上，雖然ZVS和ZCS軟開關(guān)技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于全橋的轉(zhuǎn)換器中，但在實際應(yīng)用中，隨著開關(guān)頻率的增大，大量的驅(qū)動損耗仍然存在并由此引起功率和可靠性降低的現(xiàn)象。因此，設(shè)計一款降低柵驅(qū)動電路的開關(guān)損耗、解決其功率誤導(dǎo)通和直通問題的柵驅(qū)動電路十分有必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供的一種采用SiC MOSFET管的橋式功率轉(zhuǎn)換器的柵驅(qū)動電路。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種采用SiC功率管的橋式功率轉(zhuǎn)換器的柵驅(qū)動電路，其中的橋式功率轉(zhuǎn)換器包括半橋和全橋功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于：包括初級開關(guān)電路、隔離變壓器和RCD電平移位電路，初級開關(guān)電路中的MOS管柵極控制信號由波形發(fā)生器提供，初級開關(guān)電路的輸出經(jīng)過隔離變壓器輸出給RCD電平移位電路，RCD電平移位電路的輸出信號作為橋式功率轉(zhuǎn)換器中SiC功率管的柵驅(qū)動信號，驅(qū)動橋式功率轉(zhuǎn)換器橋臂中的高、低壓側(cè)SiC功率管，利用變壓器次級存在的漏感作為諧振電感與SiC功率管柵源寄生電容的諧振作用和RCD電平移位電路的電平移位，分別降低驅(qū)動損耗和SiC功率管的誤導(dǎo)通概率；

初級開關(guān)電路、隔離變壓器和RCD電平移位電路均包括相同結(jié)構(gòu)的第一、第二兩部分電路，第一部分電路中的RCD電平移位電路的輸出信號驅(qū)動橋式功率轉(zhuǎn)換器橋臂中高壓側(cè)SiC功率管的柵極，第二部分中的RCD電平移位電路的輸出信號驅(qū)動橋式功率轉(zhuǎn)換器橋臂中低壓側(cè)SiC功率管的柵極；其中：

第一部分電路中，初級開關(guān)電路包括MOSFET管S1-S4，波形發(fā)生器Q1-Q4、電容Cr1以及電壓源VC1，電壓源VC1的正極連接MOSFET管S1的漏極和MOSFET管S2的漏極，電壓源VC1的負極連接MOSFET管S3的源極和MOSFET管S4的源極并接地，MOSFET管S1的源極連接MOSFET管S3的漏極，MOSFET管S2的源極連接MOSFET管S4的漏極，MOSFET管S1-S4的柵極控制信號分別由對應(yīng)的波形發(fā)生器Q1-Q4提供，波形發(fā)生器Q1-Q4的正極分別連接對應(yīng)的MOSFET管S1-S4的柵極，波形發(fā)生器Q1-Q4的負極分別連接對應(yīng)的MOSFET管S1-S4的源極，MOSFET管S1的源極和MOSFET管S3的漏極連接電容Cr1的一端；隔離變壓器T1初級繞組的同名端連接電容Cr1的另一端，隔離變壓器T1初級繞組異名端連接MOSFET管S2的源極和MOSFET管S4的漏極，隔離變壓器T1次級繞組同名端連接作為諧振電感的漏感Lr1的一端；RCD電平移位電路包括電阻R1和R4，電容C3和C6以及二極管D1，電阻R1與電容C3并聯(lián)后的一端連接隔離變壓器T1次級繞組的異名端，電阻R1與電容C3并聯(lián)后的另一端連接二極管D1的陽極和功率轉(zhuǎn)換器中一個橋臂的高壓側(cè)SiC功率管源極及低壓側(cè)SiC功率管漏極，二極管D1的陰極連接電阻R4與電容C6并聯(lián)后的一端，電阻R4與電容C6并聯(lián)后的另一端連接隔離變壓器T1次級繞組漏感Lr1的另一端并作為柵驅(qū)動信號的輸出端，驅(qū)動橋式功率轉(zhuǎn)換器中一個橋臂高壓側(cè)SiC功率管的柵極；

第二部分電路中，初級開關(guān)電路包括MOSFET管S5-S8，波形發(fā)生器Q5-Q8、電容Cr2以及電壓源VC1，電壓源VC1的正極連接MOSFET管S5的漏極和MOSFET管S6的漏極，電壓源VC1的負極連接MOSFET管S7的源極和MOSFET管S8的源極并接地，MOSFET管S5的源極連接MOSFET管S7的漏極，MOSFET管S6的源極連接MOSFET管S8的漏極，MOSFET管S5-S8的柵極控制信號分別由對應(yīng)的波形發(fā)生器Q5-Q8提供，波形發(fā)生器Q5-Q8的正極分別連接相應(yīng)的MOSFET管S5-S8的柵極，波形發(fā)生器Q5-Q8的負極分別連接相應(yīng)的MOSFET管S5-S8的源極，MOSFET管S5的源極和MOSFET管S7的漏極連接電容Cr2的一端；隔離變壓器T2初級繞組的同名端連接電容Cr2的另一端，隔離變壓器T2初級繞組的異名端連接MOSFET管S6的源極和MOSFET管S8的漏極，隔離變壓器T2次級繞組的同名端連接作為諧振電感的漏感Lr2的一端；RCD電平移位電路包括電阻R2和R3，電容C4和C5以及二極管D2，電阻R2與電容C4并聯(lián)后的一端連接隔離變壓器T2次級繞組異名端，電阻R2與電容C4并聯(lián)后的另一端連接二極管D2的陽極和功率轉(zhuǎn)換器中同一橋臂的低壓側(cè)SiC功率管源極并接地，二極管D2的陰極連接電阻R3與電容C5并聯(lián)后的一端，電阻R3與電容C5并聯(lián)后的另一端連接隔離變壓器T2次級繞組漏感Lr2的另一端并作為柵驅(qū)動信號的輸出端，驅(qū)動橋式功率轉(zhuǎn)換器同一橋臂低壓側(cè)SiC功率管的柵極。

如果橋式功率轉(zhuǎn)換器采用的是全橋變換器，則設(shè)置兩個相同的第一部分電路和兩個相同的第二部分電路，分別驅(qū)動全橋變換器兩個橋臂中的高、低壓側(cè)SiC功率管。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點和效果：

1)適用于所有的橋式變換器，利用隔離變壓器的隔離作用和次級諧振電感與SiC MOSFET管寄生電容的諧振作用，通過相應(yīng)的控制算法可使得初級驅(qū)動電路的功率管實現(xiàn)ZVS(零電壓開關(guān))導(dǎo)通和ZVS關(guān)斷，從而大大減小了驅(qū)動電路的驅(qū)動損耗，進而提高了本發(fā)明電路的效率。

2)利用隔離變壓器可以提供一個負的驅(qū)動電壓從而避免次級SiC MOSFET管的誤觸發(fā)，同時在次級串接了RCD(電阻電容二極管式)電平移位電路有助于更好地防止產(chǎn)生誤觸發(fā)脈沖引起SiC MOSFET管發(fā)生誤導(dǎo)通現(xiàn)象，提高了本柵驅(qū)動電路的可靠性。

3)將耦合隔離變壓器分開，分別單獨用各自的隔離變壓器代替，初級驅(qū)動電路的兩個部分均由四個功率管構(gòu)成并且相應(yīng)部分的功率管開關(guān)的狀況分開設(shè)置，分別來驅(qū)動次級的SiC MOSFET管，這樣可以減弱SiC MOSFET管的直通現(xiàn)象，進一步提高本柵驅(qū)動電路的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)原理框圖；

圖2是對應(yīng)圖1的本發(fā)明電路圖；

圖3是對應(yīng)圖2的本發(fā)明實施電路圖；

圖4是初級開關(guān)電路開關(guān)管開關(guān)信號波形圖；

圖5a是耦合隔離變壓器未分開時的原理

圖5b是次級側(cè)驅(qū)動信號波形圖。

圖6是本發(fā)明次級側(cè)驅(qū)動信號波形圖；

圖7是本發(fā)明RCD電平移位電路兩側(cè)波形圖；

圖8是開關(guān)頻率與柵驅(qū)動損耗的關(guān)系對比圖；

圖9是柵極電荷與柵驅(qū)動損耗的關(guān)系對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖給出的實施例對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明，實施例中的橋式功率轉(zhuǎn)換器采用的是同步BUCK電路,將同步BUCK整流電路作為半橋測試載體。

同步BUCK電路包括高、低壓側(cè)SiC功率管S9和S10、電壓源VC2、電感L4、輸出電容C7以及柵極驅(qū)動電阻R5和R6，高壓側(cè)SiC功率管S9的漏極連接電壓源VC2的負極，電壓源VC2的正極連接輸出電容C7的一端并接地，輸出電容C7的另一端通過電感L4連接第一部分RCD電平移位電路中的二極管D1的陽極并且二極管D1的陽極與S9的源極和S10的漏極相連,，SiC功率管S9通過驅(qū)動電阻R5連接第一部分RCD電平移位電路中電阻R4與電容C6并聯(lián)后與隔離變壓器T1次級繞組漏感Lr1的連接端，SiC功率管S10通過驅(qū)動電阻R6連接第二部分RCD電平移位電路中電阻R3與電容C5并聯(lián)后與隔離變壓器T2次級繞組漏感Lr2的連接端。同步BUCK電路5的輸出電容C7以及下管S10接地。初級驅(qū)動電路1的上下兩個部分依次串接對應(yīng)部分的隔離變壓器2、次級諧振電感3、RCD電平移位電路4，形成兩個分立的驅(qū)動電路分別驅(qū)動同步BUCK電路的S9和S10。

如圖1所示，本發(fā)明采用SiC功率管的橋式功率轉(zhuǎn)換器的柵驅(qū)動電路，包括有初級開關(guān)電路1、隔離變壓器2、次級諧振電感3、RCD電平移位電路4和被驅(qū)動的同步BUCK電路5，其中初級開關(guān)電路1的兩個部分分別串接隔離變壓器2、次級諧振電感3和RCD電平移位電路4。

如圖2所示，初級驅(qū)動電路1由上下同結(jié)構(gòu)的兩個部分組成，每個部分包括有：4個MOSFET管、4個波形發(fā)生器、1個電壓源。MOSFET管S1-S4、波形發(fā)生器Q1-Q4和電壓源VC1構(gòu)成了部分一，電壓源VC1的正極接S1的漏極同時接S2的漏極，電壓源VC1的負極接S3和S4的源極并接地，S1的源極串接S3的漏極，S2的源極串接S4的漏極，S1和S3的串接并上S2和S4的串接，S1-S4的柵極驅(qū)動信號分別由對應(yīng)的Q1-Q4波形發(fā)生器提供。MOSFET管S5-S8、波形發(fā)生器Q5-Q8和電壓源VC1構(gòu)成了部分二，部分二的電路結(jié)構(gòu)與部分一相同。隔離變壓器2由分立的兩個變壓器T1和T2組成，隔離變壓器T1初級側(cè)的上端連接電容Cr1的右端，電容Cr1的左端連接到S1的源極和S2的漏極之間，隔離變壓器T1初級側(cè)的下端連接到S2的源極和S4的漏極之間，隔離變壓器T2與初級驅(qū)動電路1部分二的連接方式與上述相同。次級諧振電感3由分立的兩個漏感Lr1和Lr2組成，Lr1和Lr2分別串接隔離變壓器T1和T2次級線圈的上端。RCD電平移位電路4包括上下兩個同結(jié)構(gòu)的部分，每個部分包括有：3個電阻、2個電容、1個二極管。電容C3和C6、電阻R1，R4、二極管D1構(gòu)成了RCD電平移位電路4的上部分，C6和R4并聯(lián)同時RC并聯(lián)的下端與二極管D1陰極連接，R1和C3并聯(lián)同時該RC并聯(lián)左端與隔離變壓器T1次級線圈下端連接，二極管D1的陽極與R1和C3的并聯(lián)端右側(cè)相連，柵驅(qū)動電阻R5左端連接R4和C6并聯(lián)電路的上端，R5的右端連接同步BUCK電路5中SiC MOSFET管S9的柵極。電容C4和C5、電阻R2，R3、二極管D2構(gòu)成了RCD電平移位電路4的下部分，下部分與隔離變壓器T2以及BUCK同步電路的連接方式與上述上部分相同。需要說明的是，圖中兩個隔離變壓器T1和T2的初級和次級都存在漏感，本發(fā)明是利用次級的漏感L_r1和L_r2作為次級諧振電感3分別與S9和S10的柵源間寄生電容產(chǎn)生諧振。圖中漏感L_r1和L_r2分別示出在T1的同名端和T2的異名端串聯(lián)連接只是一種示例，實際上漏感L_r1和L_r2是寄生參數(shù)并不是實體電感，所以漏感L_r1和L_r2也可以示出在T1的異名端和T2的同名端串聯(lián)連接。

上述初級開關(guān)電路1、隔離變壓器2、次級諧振電感3、RCD電平移位電路4構(gòu)成了基本的SiC MOSFET管的諧振柵驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)。其具體地工作原理如下：

S1-S8為驅(qū)動開關(guān)，其中S1-S4為S9的驅(qū)動開關(guān)，S5-S8為S10的驅(qū)動開關(guān)，S1-S4的驅(qū)動開關(guān)的工作過程與S5-S8的驅(qū)動開關(guān)的工作過程類似，如圖4所示，在[t0-t1]時間段，S2和S3導(dǎo)通，此時電壓UAB被鉗位在-VC。由于隔離變壓器的變比為1:1，此時在變壓器次級側(cè)電壓也為-VC，此時S10導(dǎo)通，S9關(guān)斷，在t1時刻，此時初次級諧振電路發(fā)生諧振，初級側(cè)和次級側(cè)電流為0，此時S2管零電壓關(guān)斷，S4管零電壓開通，在t2時刻，次級上部分電壓達到VC，此時S9導(dǎo)通，S10關(guān)斷,此時驅(qū)動開關(guān)S3零電壓關(guān)斷，S1零電壓開通，在[t2-t3]時刻，UAB電壓鉗位在VC，則次級電壓也維持在VC，在t3時刻，發(fā)生諧振，S1零電壓關(guān)斷，S2零電壓開通。利用這種控制策略可以實現(xiàn)初級驅(qū)動電路開關(guān)管的ZVS導(dǎo)通和ZVS關(guān)斷，從而降低初級驅(qū)動電路開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高本柵驅(qū)動電路的效率。本發(fā)明中在次級側(cè)串接了RCD電平移位電路，使得SiC MOSFET管的觸發(fā)脈沖變?yōu)椴粚ΨQ觸發(fā)脈沖，該電路可降低次級SiC MOSFET管誤導(dǎo)通的概率。

1)隔離變壓器2，起到一個隔離變壓以及初次級傳遞能量的作用。

2)次級諧振電感3是與次級SiC MOSFET管的柵源極寄生電容形成諧振。

3)RCD電平移位電路4利用分壓原理來實現(xiàn)次級輸出驅(qū)動信號的電平移位，降低偽觸發(fā)脈沖誤導(dǎo)通SiC MOSFET管和自震蕩的概率。提高柵驅(qū)動的可靠性。

4)初級驅(qū)動電路采用兩部分，并分別配置一個隔離變壓器的原因主要是為了降低次級側(cè)功率管S9和S10驅(qū)動信號發(fā)生重疊最終導(dǎo)致直通的概率，提高整個柵驅(qū)動電路的可靠性。

本發(fā)明工作過程如下：

本發(fā)明中，次級側(cè)的兩個SiC MOSFET管分立開來驅(qū)動，采用了兩路控制電路，這樣可以避免次級側(cè)的兩個功率管發(fā)生直通的現(xiàn)象。提高了該柵驅(qū)動電路的穩(wěn)定性。

下面以圖3為例，描述本發(fā)明：

參數(shù)及說明如下：

Vc1＝10V，Vc2＝20V，Lr1＝Lr2＝53nH，R1＝R2＝R3＝R4＝180kΩ，R5＝R6＝2.2Ω,，Cr1＝Cr2＝C3＝C4＝C5＝C6＝0.1uF，實例中用BUCK同步電路來仿真測試應(yīng)證。

如圖4所示為驅(qū)動開關(guān)的開關(guān)信號波形圖，由圖可見通過相應(yīng)的控制策略可在死區(qū)時間使得驅(qū)動開關(guān)實現(xiàn)ZVS開通和ZVS關(guān)斷。

如圖5所示為本發(fā)明圖2電路中耦合隔離變壓器初級電路未分開時的原理圖(圖5a)以及次級驅(qū)動信號波形圖(圖5b)，發(fā)現(xiàn)其驅(qū)動信號存在比較嚴重的交疊現(xiàn)象。

如圖6所示為本發(fā)明柵驅(qū)動電路次級驅(qū)動信號的波形圖，其驅(qū)動信號交疊現(xiàn)象減弱。

如圖7所示為RCD電平移位電路兩側(cè)的波形圖，加入RCD電平移位電路后驅(qū)動信號有明顯的電平移位，其驅(qū)動波形由對稱的波形變?yōu)椴粚ΨQ的波形。

如圖8所示為本發(fā)明和傳統(tǒng)的柵驅(qū)動電路的驅(qū)動開關(guān)管損耗隨開關(guān)頻率變化的一個對比折線圖，本發(fā)明的驅(qū)動開關(guān)的損耗明顯比傳統(tǒng)的柵驅(qū)動開關(guān)損耗要低的多，大大提高柵驅(qū)動電路的效率。

如圖9所示為本發(fā)明和傳統(tǒng)的柵驅(qū)動電路的驅(qū)動開關(guān)管損耗隨柵極電荷變化的一個對比，同樣，本發(fā)明的驅(qū)動開關(guān)管的損耗明顯比傳統(tǒng)柵驅(qū)動開關(guān)損耗要低的多，大大提高了柵驅(qū)動電路的效率。