一种隔离50kV高压的SiC MOSFET驱动电路
阅读说明：本技术 一种隔离50kV高压的SiC MOSFET驱动电路 (SiC MOSFET drive circuit for isolating 50kV high voltage ) 是由 张宏韬 冯春红 胡玲 陈伟吉 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明的一个实施例公开了一种隔离50kV高压的SiC MOSFET驱动电路,包括：脉冲前后沿产生电路、驱动放大电路、高压驱动脉冲变压器、高压侧驱动控制电路以及SiC MOSFET；驱动电路工作时,调制脉冲经过脉冲前后沿产生电路产生导通窄脉冲串和截止窄脉冲串,经驱动放大电路放大和高压驱动脉冲变压器传输后,给SiC MOSFET的GS间结电容充电,产生与调制脉冲等宽的SiC MOSFET驱动电压。本发明不仅能够给浮动在50kV高压上的SiCMOSFET提供正常驱动电压,一致性好,还能兼顾宽脉冲和窄脉冲,适合复杂调制脉冲波形,同时没有高压隔离供电电路,电路简单。(One embodiment of the invention discloses a SiC MOSFET drive circuit for isolating 50kV high voltage, which comprises: the device comprises a pulse front-back edge generating circuit, a driving amplifying circuit, a high-voltage driving pulse transformer, a high-voltage side driving control circuit and a SiC MOSFET; when the driving circuit works, modulation pulses generate a conducting narrow pulse string and a stopping narrow pulse string through the pulse front and back edge generating circuit, and after the modulation pulses are amplified by the driving amplifying circuit and transmitted by the high-voltage driving pulse transformer, the modulation pulses charge the GS internode capacitance of the SiC MOSFET to generate SiC MOSFET driving voltage with the same width as the modulation pulses. The invention can not only provide normal driving voltage for the SiCMOS MOSFET floating on 50kV high voltage, has good consistency, but also can give consideration to wide pulse and narrow pulse, is suitable for complex modulation pulse waveform, does not have a high-voltage isolation power supply circuit, and has simple circuit.)
技术领域
本发明涉及驱动电路技术领域。更具体地，涉及一种隔离50kV高压的SiC MOSFET驱动电路。
背景技术
近年来，以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料的出现，为器件性能的大幅度提高提供了可能，与Si IGBT(绝缘栅型双极晶体管)相比，SiC MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)具有更快的开关速度、更高的开关频率、更低的开关损耗以及更高的运行结温。脉冲功率技术的发展趋势之一是向前后沿小的快脉冲方向发展，高压脉冲调制器中采用SiC MOSFET替代传统Si IGBT，可以产生波形前后沿更小、频率更高的高压调制脉冲，具有广泛的应用前景。但是相较于传统Si IGBT，SiC MOSFET的驱动正压和负压范围多为非对称状态，同时浮动在几十kV高压上工作，这对SiC MOSFET的驱动电路带来新的设计挑战。
目前常用的SiC MOSFET驱动电路包括有源驱动方式和无源驱动方式。其中有源驱动方式采用光纤传输调制脉冲信号，但是不能传输SiC MOSFET需要的驱动电压，要额外增加高压隔离供电电路，电路设计复杂，同时对多路SiC MOSFET实施驱动时，必须严格保证光纤传输信号的一致性，否则会因不均压而导致最慢导通的管子被击穿。
传统无源驱动方式采用高压驱动脉冲变压器传输，在传输调制脉冲信号信息的同时，可传输SiC MOSFET需要的驱动电压，没有高压隔离供电电路，电路设计简单，但是变压器磁芯因伏秒特性易饱和，无法同时兼顾宽脉冲和窄脉冲。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隔离50kV高压的SiC MOSFET驱动电路。以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明提供了一种隔离50kV高压的SiC MOSFET驱动电路，包括：
脉冲前后沿产生电路、驱动放大电路、高压驱动脉冲变压器、高压侧驱动控制电路以及SiC MOSFET；
所述脉冲前后沿产生电路用于接收外界的直流电压以及调制脉冲，产生导通窄脉冲串以及截止窄脉冲串，并将所述导通窄脉冲串以及截止窄脉冲串发送给所述驱动放大电路；
所述驱动放大电路用于接收所述导通窄脉冲串以及截止窄脉冲串，产生正向导通窄脉冲串和负向截止窄脉冲串并发送给所述高压驱动脉冲变压器；
当所述调制脉冲为高电平时，所述高压驱动脉冲变压器用于将接收到的正向导通窄脉冲串发送给所述高压侧驱动控制电路；
当所述调制脉冲为低电平时，所述高压驱动脉冲变压器用于将接收到的负向截止窄脉冲串发送给所述高压侧驱动控制电路；
所述高压侧驱动控制电路用于将接收到正向导通窄脉冲串变换为SiC MOSFET的驱动正压，将接收到负向截止窄脉冲串变换为SiC MOSFET的驱动负压，从而产生与调制脉冲等宽的SiC MOSFET驱动电压。
在一个具体实施例中，所述导通窄脉冲串的持续时间与调制脉冲高电平时间相同；
所述截止窄脉冲串的持续时间与调制脉冲低电平时间相同。
在一个具体实施例中，所述脉冲前后沿产生电路的输出端与所述驱动放大电路的输入端连接；
所述驱动放大电路的输出端与高压驱动脉冲变压器的第一端连接；
所述高压驱动脉冲变压器的第二端与所述高压侧驱动控制电路的第一端相连，所述高压驱动脉冲变压器的第三端与所述高压侧驱动控制电路的第二端相连；
所述高压侧驱动控制电路的第三端与所述SiC MOSFET的第一端相连；
所述高压侧驱动控制电路的第四端与所述SiC MOSFET的第二端相连。
在一个具体实施例中，所述高压侧驱动控制电路包括：匹配电阻、18V稳压二极管、3.9V稳压二极管、1.8V稳压二极管、5.1V稳压二极管、导通驱动MOSFET、截止驱动MOSFET以及驱动电阻；
所述匹配电阻的第一端与所述所述高压驱动脉冲变压器的第二端以及18V稳压二极管的阴极相连接；
所述匹配电阻的第二端与所述所述高压驱动脉冲变压器的第三端以及3.9V稳压二极管的阴极相连接；
所述18V稳压二极管的阳极与3.9V稳压二极管的阳极相连接；
所述导通驱动MOSFET的第一端与所述18V稳压二极管的阴极相连接，第二端与所述1.8V稳压二极管的阳极相连接，第三端与所述5.1V稳压二极管的阴极以及驱动电阻的第一端相连接；
所述截至驱动MOSFET的第一端与所述3.9V稳压二极管的阴极以及1.8V稳压二极管的阴极相连接，第二端与所述5.1V稳压二极管的阳极相连接。
在一个具体实施例中，所述SiC MOSFET的第一端与所述驱动电阻的第二端相连接；
所述SiC MOSFET的第二端与所述截至驱动MOSFET的第三端相连接。
在一个具体实施例中，所述外界直流电压为24V直流电压；
所述正向导通窄脉冲串的电压为16V；
所述负向截止窄脉冲串的电压为-16V；
所述调制脉冲为高电平时，电压为15V；
所述调制脉冲为低电平时，电压为0V；
所述SiC MOSFET驱动电压为+16V和-3.9V。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种隔离50kV高压的SiC MOSFET驱动电路，不仅能够给浮动在50kV高压上的SiC MOSFET提供正常驱动电压，一致性好，还能兼顾宽脉冲和窄脉冲，适合复杂调制脉冲波形，同时没有高压隔离供电电路，电路简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出根据本发明一个实施例的一种隔离50kV高压的SiC MOSFET驱动电路示意图；
附图说明
：1.脉冲前后沿产生电路 2.驱动放大电路 3.高压驱动脉冲变压器 4.匹配电阻 5.18V稳压二极管 6.3.9V稳压二极管 7.1.8V稳压二极管 8.5.1V稳压二极管9.导通驱动MOSFET 10.截止驱动MOSFET 11.驱动电阻 12.SiC MOSFET具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一个实施例公开了一种隔离50kV高压的SiC MOSFET驱动电路，包括：
脉冲前后沿产生电路1、驱动放大电路2、高压驱动脉冲变压器3、高压侧驱动控制电路13以及SiC MOSFET 12；
所述脉冲前后沿产生电路用于接收外界的直流电压以及调制脉冲，产生导通窄脉冲串以及截止窄脉冲串，并将所述导通窄脉冲串以及截止窄脉冲串发送给所述驱动放大电路；
所述驱动放大电路用于接收所述导通窄脉冲串以及截止窄脉冲串，产生正向导通窄脉冲串和负向截止窄脉冲串并发送给所述高压驱动脉冲变压器；
当所述调制脉冲为高电平时，所述高压驱动脉冲变压器用于将接收到的正向导通窄脉冲串发送给所述高压侧驱动控制电路；
当所述调制脉冲为低电平时，所述高压驱动脉冲变压器用于将接收到的负向截止窄脉冲串发送给所述高压侧驱动控制电路；
所述高压侧驱动控制电路用于将接收到正向导通窄脉冲串变换为SiC MOSFET的驱动正压，将接收到负向截止窄脉冲串变换为SiC MOSFET的驱动负压，从而产生与调制脉冲等宽的SiC MOSFET驱动电压。
在一个具体实施例中，所述脉冲前后沿产生电路的输出端与所述驱动放大电路的输入端连接；
所述驱动放大电路的输出端与高压驱动脉冲变压器的第一端连接；
所述高压驱动脉冲变压器的第二端与所述高压侧驱动控制电路的第一端相连，所述高压驱动脉冲变压器的第三端与所述高压侧驱动控制电路的第二端相连；
所述高压侧驱动控制电路的第三端与所述SiC MOSFET的门极G(即第一端)相连；
所述高压侧驱动控制电路的第四端与所述SiC MOSFET的源极S(即第二端)相连。
在一个具体实施例中，所述高压侧驱动控制电路包括：匹配电阻4、18V稳压二极管5、3.9V稳压二极管6、1.8V稳压二极管7、5.1V稳压二极管8、导通驱动MOSFET9、截止驱动MOSFET10以及驱动电阻11；
所述匹配电阻的第一端与所述所述高压驱动脉冲变压器的第二端以及18V稳压二极管的阴极相连接；
所述匹配电阻的第二端与所述所述高压驱动脉冲变压器的第三端以及3.9V稳压二极管的阴极相连接；
所述18V稳压二极管的阳极与3.9V稳压二极管的阳极相连接；
所述导通驱动MOSFET的源极S(即第一端)与所述18V稳压二极管的阴极相连接，门极G(即第二端)与所述1.8V稳压二极管的阳极相连接，漏极D(即第三端)与所述5.1V稳压二极管的阴极以及驱动电阻的第一端相连接；
所述截至驱动MOSFET的源极S(即第一端)与所述3.9V稳压二极管的阴极以及1.8V稳压二极管的阴极相连接，门极G(即第二端)与所述5.1V稳压二极管的阳极相连接。
在一个具体实施例中，所述SiC MOSFET的门极G(即第一端)与所述驱动电阻的第二端相连接；
所述SiC MOSFET的源极S(即第二端)与所述截至驱动MOSFET的漏极D(即第三端)相连接。
在本实施例中，本发明提供的驱动电路工作时，外部的直流24V电压送入脉冲前后沿产生电路1，提供电路工作所需要的电压；外部的调制脉冲进入脉冲前后沿产生电路1，在调制脉冲上升前沿触发产生一定重复频率的导通窄脉冲串，持续时间与调制脉冲高电平时间相同，在调制脉冲下降后沿触发产生一定重复频率的截止窄脉冲串，持续时间与调制脉冲低电平时间相同；导通窄脉冲串和截止窄脉冲串经过驱动放大电路2后，产生16V正向导通窄脉冲串和-16V负向截止窄脉冲串，经过高压驱动脉冲变压器3后传输到高压驱动脉冲变压器3的次级；匹配电阻4用于匹配高压驱动脉冲变压器3的次级阻抗。
当调制脉冲为15V高电平时，高压驱动脉冲变压器3的次级输出正向导通窄脉冲串；当所述窄脉冲为16V时，18V稳压二极管5反向截止，导通驱动MOSFET 9的GS间驱动电压为-16V处于截止状态，截止驱动MOSFET 10的GS间驱动电压为10V处于导通状态，脉冲能量通过导通驱动MOSFET 9的体二极管、驱动电阻11和截止驱动MOSFET 10给SiC MOSFET 12的GS间结电容充电，SiC MOSFET 12的GS间产生16V电压；窄脉冲为0V时，1.8V稳压二极管7反向截止，抑制高压驱动脉冲变压器3的负向过冲电压，使导通驱动MOSFET 9可靠截止，SiCMOSFET 12的GS间维持16V电压；窄脉冲又为16V时，又给SiC MOSFET 12的GS间结电容充电，进而使SiC MOSFET 12的GS电压在调制脉冲为高电平期间保持16V，SiC MOSFET 12导通；
当调制脉冲为0V低电平时，高压驱动脉冲变压器3的次级输出负向截止窄脉冲串；窄脉冲为-16V时，3.9V稳压二极管6将窄脉冲幅度钳位至-3.9V，截止驱动MOSFET 10的GS间驱动电压为-3.9V处于截止状态，导通驱动MOSFET 9的GS间驱动电压为2V处于导通状态，脉冲能量通过截止驱动MOSFET 10的体二极管、驱动电阻11和导通驱动MOSFET 9给SiCMOSFET 12的GS间结电容充电，SiC MOSFET 12的GS间产生-3.9V电压；窄脉冲为0V时，5.1V稳压二极管8反向截止，抑制高压驱动脉冲变压器3的正向过冲电压，使截止驱动MOSFET 10可靠截止，SiC MOSFET 12的GS间维持-3.9V电压；窄脉冲又为-16V时，又给SiC MOSFET 12的GS间结电容充电，进而使SiC MOSFET 12的GS电压在调制脉冲为低电平期间保持-3.9V，SiC MOSFET 12截止；
所述驱动电路产生正负幅值+16V/-3.9V的与调制脉冲等宽的SiC MOSFET驱动电压；
本发明提供了一种隔离50kV高压的SiC MOSFET驱动电路，不仅能够给浮动在50kV高压上的SiC MOSFET提供正常驱动电压，一致性好，还能兼顾宽脉冲和窄脉冲，适合复杂调制脉冲波形，同时没有高压隔离供电电路，电路简单。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
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