一种并联高速功率开关管的驱动电路的制作方法

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1.本发明属于电子器件技术，具体涉及一种并联高速功率开关管的驱动电路。

背景技术：

2.随着电力电子设备的普及与发展，具有高速开关，低损耗特性的功率mosfet，碳化硅和氮化镓器件的应用越来越普遍，为了扩展功率电路的功率等级，比较简单可行的办法是通过将功率开关管并联，从而增加导通电流能力。现有功率开关管并联方案中，最常用的是直接并联方式，由一个驱动器同时驱动多个功率开关管，同一驱动器驱动的每一个功率开关管支路使用独立的驱动电阻和磁珠以减小栅极间的震荡，且每一支路的驱动布线和功率布线需要尽可能保持一致，这种并联方式对电路板的布线和电路对称性的要求较高，当需要并联的开关管器件较多时布线负载增加，无法保证对称。另一种直接并联方案则是每个功率开关管使用独立的驱动器，驱动器共用相同的驱动信号，这种并联方式容易导致开关电流的严重不均流，甚至在开关管的栅源极和漏源极发生震荡造成并联失败，只适用开关速度较慢，对开关延时差异不敏感的情形，难以普及到氮化镓和碳化硅这种高速开关场合。

技术实现要素：

3.基于此，本发明提出一种并联高速功率开关管的驱动电路，包括驱动器、至少两个并联的高速功率开关管，共模电感；
4.驱动器的输入端接入驱动信号，任一高速功率开关管通过驱动器的输出端把驱动信号接入栅极，并联的高速功率开关管共用同一个驱动信号；同一共模电感的不同绕线分别串联在同一驱动信号下任意两个并联的高速功率开关管的栅极与驱动器之间，同一共模电感的不同绕线的同名端反向连接，使得同一驱动信号下任意两个并联的高速功率开关管所在支路通过共模电感耦合。
5.优选地，共用同一驱动信号的并联的高速功率开关管通过同一个驱动器的输出端把驱动信号接入栅极。
6.优选地，上述驱动电路包括多个驱动器，每一高速功率开关管对应有一独立的驱动器，任一高速功率开关管通过其对应的独立的驱动器的输出端把驱动信号接入栅极。
7.优选地，上述驱动电路为半桥驱动电路，包括上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路，上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路的电路结构相同，电路结构包括驱动器、至少两个并联的高速功率开关管，共模电感；
8.驱动器的输入端接入驱动信号，任一高速功率开关管通过驱动器的输出端把驱动信号接入栅极，并联的高速功率开关管共用同一个驱动信号；同一共模电感的不同绕线分别串联在同一驱动信号下任意两个并联的高速功率开关管的栅极与驱动器之间，同一共模电感的不同绕线的同名端反向连接，使得同一驱动信号下任意两个并联的高速功率开关管所在支路通过共模电感耦合。
9.优选地，上述半桥驱动电路中，共用同一驱动信号的并联的高速功率开关管通过同一个驱动器的输出端把驱动信号接入栅极。
10.优选地，上述半桥驱动电路包括多个驱动器，每一高速功率开关管对应有一独立的驱动器，任一高速功率开关管通过其对应的独立的驱动器的输出端把驱动信号接入栅极。
11.优选地，高速功率开关管包括mosfet。
12.优选地，高速功率开关管包括hemt。
13.从以上技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
14.本发明提出的并联高速功率开关管的驱动电路，在驱动侧引入同名端反向连接的共模电感取代常规直接并联方案中各个开关管所在支路的高频磁珠，当并联的开关管支路的驱动电流相同时，利用反向绕线共模电感的特性抵消两路电感中的磁通，使得共模驱动信号无阻抗；而当两个并联支路的驱动电流由于线路阻抗和驱动延时有所不同时，差模信号分量会被高感量的差模电感所抑制，进而保持驱动电流的一致，通过驱动侧的均流改善功率侧并联支路的负载电流均流性能；驱动侧的电流峰值在100ma级别，相较于功率侧10a电流级别小近百倍，能够有效减小器件体积和生产成本，不仅适用于同一驱动器驱动多路开关管，也适用于独立驱动器驱动单个开关管的电路，成本低且适用范围广；共模电感的两路电路耦合存在漏感，在高频段使用可以等效为有损高频磁珠，能够有效抑制栅极开关的高频噪声。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
16.图1为现有技术同一驱动器驱动多个并联开关管的驱动电路示意图；
17.图2(a)和图2(b)分别为现有技术使用大阻抗磁珠减小开关管栅极震荡的电压和电流变化对比图；
18.图3为现有技术独立驱动器驱动单个并联开关管的驱动电路示意图；
19.图4为现有技术在功率侧使用均流电感分开半桥中点的驱动电路示意图；
20.图5为本发明提供的在驱动侧使用共模电感进行均流的一种半桥驱动电路示意图；
21.图6为本发明提供的在驱动侧使用共模电感进行均流的另一种半桥驱动电路示意图；
22.图7为本发明在驱动电路的驱动侧串联的共模电感等效示意图；
23.图8为本发明提供的使用共模电感实现3颗开关管并联均流的半桥驱动电路示意图；
24.图9为本发明仿真测试使用的4颗开关管并联的半桥驱动电路示意图；
25.图10(a)和图10(b)分别表示图9的半桥驱动电路引入共模电感cmc13l前，电路下桥臂各开关管流过杂散电感的开通和关断电流示意图；
26.图11(a)和图11(b)分别表示图9的半桥驱动电路引入共模电感cmc13l后，电路下桥臂各开关管流过杂散电感的开通和关断电流示意图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.诸如mosfet，hemt这样的功率开关管，具有驱动功率小，开关速度快，导通压降小大，载流密度高小的特性，随着电子器件的发展也出现了以碳化硅和氮化镓为代表的si mosfet、sic mosfet、gan hemt等宽禁带半导体器件，当被应用于高频大功率器件或大功率低压设备时常常使用并联开关管的方式来对功率扩容。
29.常用的直接并联方式为由一个驱动器驱动多个开关管，如图1的半桥驱动电路所示，单个桥臂驱动电路中，一个驱动器同时驱动多个功率开关管，每一并联支路使用独立的驱动电阻和磁珠fb(ferrite bead)以减小栅极间的震荡，为了保证开关管的电流均流，每个支路的驱动布线和功率布线都需要尽可能的保持一致，同时也需要避免布线耦合过大的cgd和cds寄生电容，导致并联开关管之间发生科尔皮兹震荡。虽然并联的开关管共用同一个驱动器，在各自的栅极处引入磁珠增大在高频段的阻抗，可以有效的衰减栅极的开关噪声，从而可以有效的提升系统的稳定性。如图2(a)和图2(b)所示，对并联的氮化镓器件进行测试，使用阻抗较大的磁珠可以对在较大关断电流情形下，对于高dv/dt噪声有效的避免了震荡的发生。但是由于直接并联的方式对电路板的布线和电路的对称性要求很高，此方法仅适用于较少器件并联，对于较多器件并联，pcb布线会变得非常复杂负载，无法保证对称，须使用多个驱动器，并需要降低开关速度。
30.为了改善上述多器件并联负载压力的问题，另一种直接并联方式则是每个开关管都使用独立的驱动器，如图3所示，功率侧的布线要求与上述单驱动器驱动多个开关管一致，保持驱动电阻和磁珠等各元件连接的对称并减少杂散参数，适合多开关管的并联运行，驱动侧的布线复杂度降低。但是这种独立驱动器驱动的并联方式也存在一定缺陷。尽管共用同一驱动信号，但各驱动器的传输延时和驱动能力的细微差别，会导致并联开关管的开关时刻和栅极驱动电流的差异，在高速开关电路中，dv/dt高达50-100v/ns，1-2ns的开关延时就会造成不同开关管间电压的巨大差异，进而造成开关电流的严重不均流，甚至发生开关管的栅源极和漏源极的震荡造成并联失败。因此，这种使用独立驱动器的并联方法，仅适用于开关速度较慢，对开关延时差异不敏感的应用场合，而对于氮化镓和碳化硅的高速应用场合并不适用。
31.对于直接并联方式的桥式驱动电路存在的各种问题，一种把半桥中点分开的间接并联方式被提出。这种间接并联方式利用均流电感把半桥中点分开，如图4所示，电感l1和l2可以是同一磁芯相互耦合的电感，当单个桥臂有多个并联的开关管时，耦合电感使得相邻两个半桥间的环路电感量加倍，均衡桥臂间的电流，有效避免了由于驱动延时的差异，以及功率电路杂散参数不同所带来的不均流的问题。但是这种间接并联方式由于半桥中点被分开，每个开关管都需要使用独立的驱动器，功率侧均流电感的引入也增加了器件成本。
32.为此，本发明提出一种适用于高速功率开关管的驱动电路，在驱动侧进行引入共模电感进行驱动均流，进而改善功率侧并联支路的负载电流均流性能。
33.本发明的驱动电路，包括驱动器、至少两个并联的高速功率开关管，共模电感；
34.驱动器的输入端接入驱动信号，任一高速功率开关管通过驱动器的输出端把驱动信号接入栅极，并联的高速功率开关管共用同一个驱动信号；同一共模电感的不同绕线分别串联在同一驱动信号下任意两个并联的高速功率开关管的栅极与驱动器之间，同一共模电感的不同绕线的同名端反向连接，使得同一驱动信号下任意两个并联的高速功率开关管所在支路通过共模电感耦合。
35.本发明的驱动电路既可以用于单个驱动器驱动多个开关管的情形，也适用于独立驱动器驱动单个开关管的情形。
36.用于桥式驱动电路且由单个驱动器驱动多个开关管时，如图5所示，上桥臂引入共模电感cmc
1h
，且共模电感的同名端反向连接。高侧开关管q
h1
和q
h2
并联共用同一个驱动信号，并由同一个驱动器gatedriver1驱动，共模电感cmc
1h
的不同绕线分别串联在高侧开关管q
h1
和q
h2
与驱动器之间，开关管与驱动器之间还串联有驱动电阻rg，上桥臂的开关管的源极通过电感l接到负载load。同样地，下桥臂引入共模电感cmc
1l
，低侧开关管q
l1
和q
l2
并联共用同一个驱动信号，并由同一个驱动器gatedriver2驱动，共模电感cmc
1l
的不同绕线分别串联在低侧开关管q
l1
和q
l2
与驱动器之间，开关管与驱动器之间还串联有驱动电阻rg，下桥臂的开关管的漏极通过电感l接到负载load。
37.用于桥式驱动电路且由独立驱动器驱动单个开关管时，如图6所示，开关管q
h1
，q
h2
，q
l1
，q
l2
分别由驱动器gatedriver1，gatedriver2，gatedriver3，gatedriver4驱动，支路的其他布线要求与图5一致。
38.通过使用一颗共模电感取代了常规直接并联方案中开关管与驱动器之间独立的高频磁珠，当每个并联支路的开关管驱动电流相同时，两路电感中所感应的磁通相互抵消，对于共模驱动信号没有阻抗；当两个支路的驱动电流因为线路阻抗和驱动延时有所不同时，流过共模电感中的差模信号分量会被高感量的差模电感所抑制，进而保持驱动电流的一致。而相较于间接并联方案中在功率侧引入均流耦合电感，由于驱动电流峰值仅为100ma等级，其电流等级比功率侧均流电感10a电流等级小上百倍，器件的体积和生产成本均大大减小。
39.另一方面，共模电感的两路电感的耦合存在漏感，在高频段可以等效为有损的磁珠，如图7所示。例如，对于1颗电感量为10μh的共模电感，当共模电感的两个支路的驱动电流一致时，所产生的磁通相互抵消，因此对于共模的驱动信号是没有任何影响的。假设共模耦合系数为0.95，则每一路的漏感约为500nh，对于100mhz的频率可以提供约300ω，可以替代有损的高频磁珠元件，有效的抑制栅极开关时的高频噪声。
40.当同一驱动信号下并联的开关管有n(n》2)颗时，可以使用多个反向耦合的共模电感两两实现与邻近的并联支路进行驱动电流均流，如图8所示的3组开关管并联的半桥驱动电路。上桥臂并联的开关管有q
h1a
，q
h1b
，q
h1c
，且每个开关管由独立的驱动器驱动，则q
h1a
和q
h1b
所在支路通过共模电感cmc
12h
耦合，q
h1a
和q
h1c
所在支路通过共模电感cmc
13h
耦合，q
h1b
和q
h1c
所在支路通过共模电感cmc
23h
耦合。同理，下桥臂并联的开关管有q
l1a
，q
l1b
，q
l1c
，且每个开关管由独立的驱动器驱动，则q
l1a
和q
l1b
所在支路通过共模电感cmc
12l
耦合，q
l1a
和q
l1c
所在
支路通过共模电感cmc
13l
耦合，q
l1b
和q
l1c
所在支路通过共模电感cmc
23l
耦合。该半桥驱动电路的高低侧各需要3颗共模电感，实现驱动电路的两两耦合。因为高侧所有开关管的源极和低侧所有开关管的漏极都直接相连于开关节点，因此在功率侧仍然属于直接并联方式。
41.仿真测试
42.下面对有4颗开关管并联的情形进行仿真以说明本发明驱动电路的均流性能。
43.如图9所示的半桥驱动电路，高低侧各并联有4颗开关管，同一驱动信号下使用两个驱动器，单个驱动器同时驱动2颗开关管，以上桥臂为例，同一驱动信号接入两个驱动器gatedriver1h和gatedriver2h，驱动器gatedriver1h同时驱动开关管q
1h
和q
2h
，驱动器gatedriver2h同时驱动开关管q
3h
和q
4h
，则开关管q
1h
和q
2h
所在支路通过共模电感cmc
12h
耦合，开关管q
3h
和q
4h
所在支路通过共模电感cmc
34h
耦合，驱动器gatedriver1h和驱动器gatedriver2h所处的驱动侧通过共模电感cmc
13h
耦合，上桥臂的开关管q
1h
，q
2h
，q
3h
，q
4h
分别通过杂散电感l
s2h
，l
s3h
，l
s3h
，l
s4h
连接到负载load。同理可得下桥臂引入共模电感的连接结构，此处不再赘述，图9的驱动电路覆盖了图5和图6两种情形。
44.本次仿真在驱动侧和功率侧均设置较大的延时差以及杂散电感差别，其中驱动器延时差5ns(tp1＝0ns，tp2＝5ns)，驱动速度相差5ns(tr1＝tf1＝10ns，tr2＝tf2＝15ns)，功率侧的杂散电感分别是1nh，2nh，3nh，4nh，以对比引入共模电感前后的功率侧开关均流改善情形。所选用的共模电感为5μh，互感系数为k＝0.96，额定电流350ma，实际产品尺寸仅为2.5mm
×
2mm
×
2mm(长x宽x高)。
45.图10(a)和图10(b)分别表示电路引入共模电感cmc
13l
前，下桥臂各开关管流过杂散电感的开通和关断电流i(l
s1
)，i(l
s2
)，i(l
s3
)，i(l
s4
)，图10(a)中可以看到开关管1,2的开通电流比较接近，开关管3,4的开通电流比较接近，基本实现了两两均流。由于在功率侧开关管3和4的杂散电感更大(l
s3h
＝3nh，l
s4h
＝4nh)，开通速度较慢，开通电流比较低，且与开关管1和2严重不均流。在此基础上，引入共模电感cmc
13l
，使得两组开关管的驱动实现均流，最终保证功率侧开关电流的均流，如图11(a)和图11(b)所示。表1给出了驱动电路开关管开通峰值电流对比，可以看到引入cmc
13l
后实现4颗开关管的均流。
46.表1
47.开通电流峰值仅使用cmc
12
,cmc
34
使用cmc
12
,cmc
34
,cmc
13
irr_q126.2a17.5airr_q232.6a18airr_q34.84a18.1airr_q42.8a18.9airr_平均值16.6a18.1a
48.对于高速开关管并联的驱动电路，传统的直接并联方案具有对pcb布线要求高，使用单一驱动器，系统可靠性较低；使用间接并联的方案解决了对pcb布线参数敏感度高，但每个开关管需使用独立的驱动器，且需要在功率侧增加相同数量的均流电感，系统成本较高。本发明提出了在驱动侧使用信号级的共模电感，实现了驱动电路的信号同步与均流，进而改善了功率侧开关管的开关电流的均流水平。对于驱动器延时，驱动能力，以及功率侧杂散参数不同所造成的开关电流不均流，均得到很大的改善。
49.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例
对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种并联高速功率开关管的驱动电路，其特征在于，包括驱动器、至少两个并联的高速功率开关管，共模电感；所述驱动器的输入端接入驱动信号，任一高速功率开关管通过所述驱动器的输出端把驱动信号接入栅极，并联的高速功率开关管共用同一个驱动信号；同一共模电感的不同绕线分别串联在同一驱动信号下任意两个并联的高速功率开关管的栅极与驱动器之间，同一共模电感的不同绕线的同名端反向连接，使得同一驱动信号下任意两个并联的高速功率开关管所在支路通过共模电感耦合。2.根据权利要求1所述的并联高速功率开关管的驱动电路，其特征在于，共用同一驱动信号的并联的高速功率开关管通过同一个驱动器的输出端把驱动信号接入栅极。3.根据权利要求1所述的并联高速功率开关管的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括多个驱动器，每一高速功率开关管对应有一独立的驱动器，任一高速功率开关管通过其对应的独立的驱动器的输出端把驱动信号接入栅极。4.根据权利要求1所述的并联高速功率开关管的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路为半桥驱动电路，包括上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路，所述上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路的电路结构相同，所述电路结构包括驱动器、至少两个并联的高速功率开关管，共模电感；驱动器的输入端接入驱动信号，任一高速功率开关管通过驱动器的输出端把驱动信号接入栅极，并联的高速功率开关管共用同一个驱动信号；同一共模电感的不同绕线分别串联在同一驱动信号下任意两个并联的高速功率开关管的栅极与驱动器之间，同一共模电感的不同绕线的同名端反向连接，使得同一驱动信号下任意两个并联的高速功率开关管所在支路通过共模电感耦合。5.根据权利要求4所述的并联高速功率开关管的驱动电路，其特征在于，所述半桥驱动电路中，共用同一驱动信号的并联的高速功率开关管通过同一个驱动器的输出端把驱动信号接入栅极。6.根据权利要求4所述的并联高速功率开关管的驱动电路，其特征在于，所述半桥驱动电路包括多个驱动器，每一高速功率开关管对应有一独立的驱动器，任一高速功率开关管通过其对应的独立的驱动器的输出端把驱动信号接入栅极。7.根据权利要求1-6任一项所述的并联高速功率开关管的驱动电路，其特征在于，所述高速功率开关管包括mosfet。8.根据权利要求1-6任一项所述的并联高速功率开关管的驱动电路，其特征在于，所述高速功率开关管包括hemt。

技术总结

本申请一种并联高速功率开关管的驱动电路，在驱动侧引入同名端反向连接的共模电感，共模电感的不同绕线串联在高速功率开关管与驱动器之间，使得同一驱动信号下任意两个并联的高速功率开关管所在支路通过共模电感耦合，共模电感取代了常规直接并联方案中各个开关管所在支路的高频磁珠，既能使得共模驱动信号无阻抗，也能抑制差模信号分量，通过驱动侧引入的共模电感。入的共模电感。入的共模电感。