[发明专利]高效率绝缘隔离SiCMOSFET栅驱动电路

说明书

本发明公开了一种高效率绝缘隔离SiC MOSFET栅驱动电路，该电路包括：高精度输入信号接收电路、数字控制电路、调制发送电路、隔离电路、高共模瞬态抑制差分信号接收电路、高效率输出驱动电路、发送端低压产生电路、接收端低压产生电路和芯片状态监测电路。本发明所提供的高效率绝缘隔离SiC MOSFET栅驱动电路，首先，采用高压电容绝缘隔离技术，可实现高耐压的前提下，提高信号处理速度；其次，可以根据负载大小和输入控制脉冲的频率自适应调整驱动电流，从而最大程度上提高驱动电路的电源效率；另外，采用高精度输入信号接收电路，提高信号输入可靠性。本发明可以广泛应用于驱动各类高压SiC MOSFET和IGBT器件。

技术领域

本发明涉及一种高效率绝缘隔离SiC MOSFET栅驱动电路，属于集成电路技术领域。

背景技术

在智能电网、移动通信以及新能源汽车等新兴产业的牵引下，电力电子应用系统要求进一步提高系统的效率、小型化和增加功能，特别要求系统装备在尺寸、质量、功率和效率之间的权衡，比如服务器电源管理、电池充电器和太阳能电场的微逆变器。随着Si基超结MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现和应用普及，硅器件由于其本身物理特性的限制，已经开始不适用于一些高压、高温、高效率及高功率密度的应用场合。与Si材料相比，SiC材料较高的热导率决定了其高电流密度的特性，较高的禁带宽度又决定了SiC器件的高击穿场强和高工作温度。尤其在SiC MOSFET的开发与应用方面，与相同功率等级的SiMOSFET相比，SiC MOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。

由于SiC MOSFET器件特性与传统的Si MOSFET有较大差别，SiC MOSFET驱动电路的性能对于整机系统起着至关重要的影响。基于SiC器件的新一代电力电子整机系统对高压栅驱动芯片的驱动速度、智能化提出了更高的需求，从而进一步提高整机可靠性，并降低整机系统设计复杂度。相比于Si MOSFET，SiC MOSFET的寄生电容更小，两者相差超过十倍，因此SiC MOSFET对驱动电路的寄生参数更敏感。另一方面，SiC MOSFET的驱动电压范围通常为-5V～+25V，而传统的Si MOSFET的驱动电压范围为-30V～+30V。因此，SiC MOSFET与传统的Si MOSFET相比，安全阈值更小，驱动电路的一个电压尖峰很可能就会击穿栅源之间氧化层，这也是驱动电路的输出控制电平需要精心设计。

高压栅驱动芯片用于满足CPU控制器输出接口提供的小功率电平信号和大功率输出器件栅驱动所需要高压大电流信号之间转换驱动的需求。由于发送端电路和接收端电路之间的衬底电位存在很大的电压差，高、低压电路之间必须进行电气隔离。由于功率半导体器件的应用场景存在很大差异，高、低电压区最大值之间存在的压差VH可以从40V跨度到6500V。VH大小直接决定了芯片内部的电气隔离等级，而在芯片内部实现不同等级的电气隔离功能模块，所需要采用的电路器件技术和成本质量等级存在较大差异。为实现超过3000V的超高压电气隔离，需要采用绝缘隔离技术将高低压信号处理电路在物理空间上隔离开。

此外，现有的半桥栅驱动芯片当被设计定型之后，其高/低侧输出控制信号的输出驱动能力将被固化。在实际应用中，为防止输出电流对负载功率开关的栅端造成损坏，通常在高/低侧输出端串接一个电阻，以抑制栅端电压过冲影响。当栅端等效电容较大时，串接保护电阻需要比较小，反之需要较大串接保护电阻。而比较大的串接保护电阻会带来2个问题，一是电阻上的开关损坏变大，降低驱动电路的效率；二是增加了驱动延时，最终降低系统开关频率。因此，为提高整体驱动电路的效率，很有必要提供一种可根据功率开关管的栅电容大小自动调节驱动电流大小的高效率输出驱动电路。

发明内容

本发明的目的是针对SiC MOSFET器件的驱动应用需求，提供一种基于绝缘隔离技术并且具有高效率输出驱动特性的的高压绝缘隔离栅驱动电路。