CN108322033B - SiCMOSFET变换器的过流保护装置及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了SiCMOSFET变换器的过流保护装置及保护方法。包括：漏源电压检测单元、逻辑处理单元、脉冲封锁单元、SiCMOSFET和驱动单元五部分。漏源电压检测单元通过电阻分压完成SiCMOSFET的漏源电压检测，反映SiCMOSFET的漏极电流；通过三极管、稳压管和比较器等完成过流信号的检测；通过三极管的射集电压选择检测SiCMOSFET仅在通态时的漏源电压，并通过稳压管抑制三极管射集电压尖峰，有效避免了过电流保护的误动作，使SiCMOSFET变换器的运行安全可靠；调节可变电阻的大小可改变过电流保护的阈值，设置灵活方便。该漏源电压检测的过流保护装置及方法，成本低，安全可靠，检测速度快。

Description

SiCMOSFET变换器的过流保护装置及保护方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种SiCMOSFET变换器的过流保护装置及保护方法。

背景技术

碳化硅电力电子器件因具有数万伏的耐高压特性、大于500℃耐高温特性、开关速度快和低损耗等独特优势，在未来新能源电力电子变换器中显示了巨大的应用潜力。SiCMOSFET变换器体积小，损耗低，功率密度高是建设节约型社会、促进国民经济发展、践行创新驱动发展战略的重要支撑技术。

SiCMOSFET过电流检测与保护是SiCMOSFET变换器安全运行的保证。过流检测方法作为过电流保护的核心应该被重点关注。目前，基于IGBT的过流检测方法已趋于成熟，例如电感检测、去饱和检测等，同时有人将基于IGBT的过流检测方式移植到SiCMOSFET中实现了过流检测的功能，但是仍存在诸多缺陷和不足。

2015年在A.E.Awwad等人发表的文章“Short-Circuit Evaluation andOvercurrent Protection for SiC Power MOSFETs.”(Proceeding of IEEE 17thEuropean Conference on Power Electronics and Applications)中针对SiCMOSFET器件，公开了基于电感检测的过流保护电路。该电路在SiCMOSFET的源极串入一个感值为纳亨级的电感，并在该电感上并联RC电路，且将RC连接的中点作为检测电路的输出端。当出现过流故障时，检测电感上出现感应电压，进而检测电路的输出端电压与流经SiCMOSFET的漏极电流具有近似比例关系。然而这种将检测电感串入SiCMOSFET源极的方式相当于增加了源极的寄生电感，会使SiCMOSFET的栅源电压产生脉动且降低了开关速度。此外该检测电路的实质是RLC谐振，会使主电路产生振荡，影响主电路的性能。

2014年在Zhiqiang Wang等人发表的文章“Design and Performance Evaluationof Overcurrent Protection Schemes for Silicon Carbide(SiC)Power MOSFETs.”(IEEE Transactions on Industrial Electronics)中针对SiCMOSFET，公开了一种基于去饱和检测的过流保护电路。该检测电路主要由检测二极管、消隐电路、比较器等组成，通过检测二极管对SiCMOSFET的漏源电压进行检测，并通过由电容等组成的消隐电路产生消隐时间，防止过流保护误动作，同时通过比较器对二极管采集到的漏源电压与给定值进行比较，并输出过流信号。根据电路原理，该检测二极管必须具有高于母线电压的反向阻断电压，这意味着该二极管具有较大的正向压降，这将会对去饱和的检测精度带来不利影响，同时具有高阻断电压的二极管成本较高。此外，为了防止保护电路误触发而设置的消隐电路会增加保护电路的延迟时间。

综上所述，适合SiCMOSFET变换器的高效、快速、低成本的SiCMOSFET过流保护方法研究很有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种SiCMOSFET变换器的过流保护装置及保护方法，解决了现有技术中存在的在SiCMOSFET关断时由于较大漏源电压而产生SiCMOSFET过电流保护误动作和成本高的问题。

本发明所采用的技术方案是，SiCMOSFET变换器的过流保护装置，包括：漏源电压检测单元、逻辑处理单元、脉冲封锁单元、SiCMOSFET和驱动单元，漏源电压检测单元依次连接逻辑处理单元、脉冲封锁单元和SiCMOSFET4的栅极，漏源电压检测单元还同时与SiCMOSFET的漏极和源极连接，漏源电压检测单元还连接脉冲封锁单元，脉冲封锁单元还同时与驱动单元两端和SiCMOSFET的源极连接。

SiCMOSFET变换器的过流保护装置的特点还在于：

漏源电压检测单元包括电阻Rd1，电阻Rd1同时连接电阻Rc和电阻Rd2，电阻Rd2还连接参考地；电阻Rc还连接三极管Q的发射极，三极管Q的集电极连接参考地，三极管Q的基极同时与稳压管Dz的阴极和电阻R3连接，电阻R3还同时与电阻R1的一端、电阻R2的一端连接，电阻R1另一端还与脉冲封锁单元连接；电阻R2另一端同时与脉冲封锁单元和SiCMOSFET连接；稳压管Dz的阳极与参考地相连；电阻Rc还与比较器U1C的正输入端连接，比较器U1C的负输入端同时与电阻R4和可变电阻R5连接，电阻R4还与电源连接，可变电阻R5还与参考地相连接；比较器U1C的输出端O1同时连接电阻R6和逻辑处理单元，电阻R6还与发光二极管D1的阳极连接，发光二极管D1的阴极与参考地连接；电阻Rd1还与SiCMOSFET连接。

逻辑处理单元包括或非门U1N，或非门U1N的第一输入端与比较器的输出端O1连接，或非门U1N的第二输入端与电阻R7的一端相连，电阻R7另一端与发光二极管D2的阳极相连，发光二极管D2的阴极与参考地相连；或非门U1N还设有可与外部控制器相连的第二输入端；所述或非门U1N的输出端与与非门U2N的第一输入端相连，与非门U2N的第二输入端与与非门U3N的输出端相连，与非门U2N的输出端O2同时与脉冲封锁单元和与非门U3N的第一输入端连接，与非门U3N的第二输入端依次连接开关S和电源。

脉冲封锁单元包括电阻Rg和mos管M，电阻Rg一端与与非门U2N的输出端O2相连，另一端连接mos管M的栅极，mos管M的漏极同时与SiCMOSFET、电阻R1和驱动单元的输出端相连，mos管M的源极同时与SiCMOSFET、电阻R2和驱动单元的接地端相连。

SiCMOSFET的源极同时连接电阻R2、mos管M的源极和参考地，SiCMOSFET的栅极连接mos管M的漏极，SiCMOSFET的漏极与电阻Rd1连接。

三极管Q为PNP型。

mos管M为N沟道型。

SiCMOSFET变换器的过流保护方法，按照如下步骤实现：

步骤一、查阅所选型号SiCMOSFET的数据手册，结合其实际驱动电压，确定该型号SiCMOSFET漏源电压和漏极电流之间的输出特性曲线；

步骤二、根据实际电路，确定过流保护阈值Idp；

步骤三、通过步骤一中的输出特性曲线获得达到过流保护阈值时SiCMOSFET的漏源电压阈值Vdsr；

步骤四、根据公式计算出比较器负输入端的给定值Vref，再根据公式调节可变电阻R5的阻值；

步骤五、接通电路，该电路即可根据实际电路状态实现过流保护。

本发明的有益效果是，拟根据SiCMOSFET特性，提供一种SiCMOSFET变换器漏源电压检测的过流保护装置及方法。不需电流传感器，通过电阻分压检测反映SiCMOSFET漏极电流的漏源电压，检测成本低；通过三极管的射集电压选择检测SiCMOSFET仅在通态时的漏源电压，并通过稳压管抑制三极管射集电压尖峰，有效避免了过流保护电路的误动作；调节可变电阻改变过流保护阈值，方便不同型号SiCMOSFET保护阈值的设计，提高了SiCMOSFET变换器过流保护的可靠性。

附图说明

图1是本发明的过流检测驱动装置的单元构成图；

图2是本发明的电路原理图；

图3是本发明测试电路；

图4是SiCMOSFET的输出特性曲线图；

图5是本发明在工况一下的PSPICE仿真波形图；

图6是本发明在工况二下的PSPICE仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明SICMOSFET变换器的过流保护装置，如图1所示，包括：漏源电压检测单元1、逻辑处理单元2、脉冲封锁单元3、SiCMOSFET4和驱动单元5；漏源电压检测单元1依次连接逻辑处理单元2、脉冲封锁单元3和SiCMOSFET4的栅极，漏源电压检测单元1还同时与SiCMOSFET4的漏极和源极连接，漏源电压检测单元1还连接脉冲封锁单元3，脉冲封锁单元3还同时与驱动单元5两端和SiCMOSFET4的源极连接。

如图2所示，是SiCMOSFET变换器的过流保护装置的电路原理图，漏源电压检测单元1包括电阻Rd1，电阻Rd1同时连接电阻Rc和电阻Rd2，电阻Rd2还连接参考地；电阻Rc还连接PNP型三极管Q的发射极，PNP型三极管Q的集电极连接参考地，PNP型三极管Q的基极同时与稳压管Dz的阴极和电阻R3连接，电阻R3还同时与电阻R1的一端、电阻R2的一端连接，电阻R1另一端还与脉冲封锁单元3连接；电阻R2另一端同时与脉冲封锁单元3和SiCMOSFET4连接；稳压管Dz的阳极与参考地相连；电阻Rc还与比较器U1C的正输入端连接，比较器U1C的负输入端同时与电阻R4和可变电阻R5连接，电阻R4还与电源连接，可变电阻R5还与参考地相连接；比较器U1C的输出端O1同时连接电阻R6和逻辑处理单元2，电阻R6还与发光二极管D1的阳极连接，发光二极管D1的阴极与参考地连接；电阻Rd1还与SiCMOSFET4连接。

逻辑处理单元2包括或非门U1N，或非门U1N的第一输入端与漏源电压检测单元1中的比较器的输出端O1连接，或非门U1N的第二输入端与电阻R7的一端相连，电阻R7另一端与发光二极管D2的阳极相连，发光二极管D2的阴极与参考地相连；或非门U1N还设有可与外部控制器连接的第二输入端，当外部控制器检测到其他故障时，可通过本保护电路实现对其他故障的保护；或非门U1N的输出端与与非门U2N的第一输入端相连，与非门U2N的第二输入端与与非门U3N的输出端相连，与非门U2N的输出端O2同时与脉冲封锁单元和与非门U3N的第一输入端连接，与非门U3N的第二输入端依次连接开关S和电源。

脉冲封锁单元3包括电阻Rg，电阻Rg一端与逻辑处理单元2中的与非门U2N的输出端O2相连，另一端连接N沟道型mos管M的栅极，N沟道型mos管M的漏极同时与SiCMOSFET4、电阻R1和驱动单元5的输出端相连，N沟道型mos管M的源极同时与SiCMOSFET4、电阻R2和驱动单元5的接地端相连。

SiCMOSFET4的源极同时连接电阻R2、N沟道型mos管M的源极和参考地，SiCMOSFET4的栅极连接N沟道型mos管M的漏极，SiCMOSFET4的漏极与电阻Rd1连接。

其中，驱动单元的作用是产生合适幅值的SiCMOSFET开通和关断的栅源电压信号。

本发明SiCMOSFET变换器的过流保护方法，按照如下步骤实现：

步骤一、查阅所选型号SiCMOSFET的数据手册，结合其实际驱动电压，确定该型号SiCMOSFET漏源电压和漏极电流之间的输出特性曲线；

步骤二、根据实际电路，确定过流保护阈值Idp；

步骤三、通过步骤一中的输出特性曲线获得达到过流保护阈值时SICMOSFET的漏源电压阈值Vdsr；

步骤四、根据公式计算出比较器负输入端的给定值Vref，再根据公式调节可变电阻R5的阻值，

其中Rd1、Rd2、R4、R5分别为漏源电压检测单元中的电阻Rd1、电阻Rd2、电阻R4、可变电阻R5对应的阻值，VEE为权利要求2所述SiCMOSFET变换器的过流保护装置中的电源；

步骤五、接通电路，该电路即可根据实际电路状态实现过流保护。

当电路导通时，漏源电压检测单元会将获取到的电平信号传输给逻辑处理单元，经逻辑处理单元运算之后，再将电平信号传输给脉冲封锁单元，脉冲封锁单元根据逻辑处理单元输出的电平信号进行是否封锁SiCMOSFET的驱动脉冲的过流保护动作。具体为：电路导通后，比较器U1C正输入端可直接获取到SiCMOSFET的漏源电压，并通过输出端将电压信号传输给或非门U1N的第一输入端；或者外部设备出现故障时，会将***故障信号传输给或非门U1N的第二输入端；

当比较器U1C正输入端的电压低于负输入端给定值Vref时，比较器U1C输出端O1输出低电平；当比较器U1C正输入端的电压高于负输入端给定值Vref时，比较器U1C输出端O1输出高电平；

当比较器输出低电平，且***故障信号为低电平时，与非门U2N的输出端O2输出低电平；当比较器输出高电平或***故障信号为高电平时，与非门U2N的输出端O2输出高电平；

与非门U2N通过输出端O2将电平信号送给mos管M，当与非门U2N输出低电平时，mos管M截止，SiCMOSFET正常工作；当与非门U2N输出高电平时，mos管M导通，封锁SiCMOSFET的驱动脉冲，SiCMOSFET停止工作。

如图3所示，本发明SiCMOSFET变换器的过流保护装置及保护方法的测试电路为SiCMOSFET半桥变换电路。其中上桥臂SiCMOSFET管T1与下桥臂SiCMOSFET管T2串联连接，支撑电容C1、C2串联连接，电容支路、SiCMOSFET开关管支路和电源并联连接，电源的负端接地，电容支路的中点和开关管支路的中点间为负载支路。本测试电路中负载类型为纯阻负载，用电阻R表示；电感L用来模拟线路的寄生电感；电阻Ra和开关Sa的串联支路并联在负载R的两端，模拟电路中过流现象，这种过电流记为内部过流故障，对应的过流信号记为内部过流信号。

图4是SiCMOSFET的输出特性曲线，根据图4可以得出本发明中过流保护阈值与比较器负输入端给定值的关系。可以看出漏源电压随漏极电流的增加而增加。令Vref为比较器负输入端给定值，若预期的过电流保护阈值为Idp，则根据图4可以确定Idp对应的SiCMOSFET漏源电压为Vdsr，进而通过公式：计算出比较器负输入端的给定值。

如图5和图6所示，以上桥为例说明开关管在不同工作状况下电路的工作状态，并对本发明的具体工作过程和工作原理做详细分析。

如表1所示，是逻辑处理单元逻辑功能表。

表1逻辑处理单元逻辑功能表

实施例1

以上桥SiCMOSFET为例，说明SiCMOSFET半桥变换器在无过电流出现时，其过流保护检测电路的工作情况。

SiCMOSFET选用ROHM公司的型号为SCH2080KE 1200V 35A的开关管，图2中所涉及到的电源+VEE均为正5V电源，电阻Rd1和Rd2分别为0Ω和1MΩ，R4为5kΩ。实际测试驱动电路设计的正驱动电压为20V，假设确定过流保护阈值为28A，那么查图4的SiCMOSFET输出特性曲线可知此时对应的漏源电压Vdsr为2.3V，根据公式计算可得比较器U1C负输入端的电压给定值Vref应设为2.3V。又由于则计算可得可变电阻R5应设置为4.26kΩ。测试电路图3中电源E为150V，C1、C2均为3300μF，负载R为75Ω，电阻Ra为1Ω，寄生电感L为50nH，开关Sa在240μs时闭合，图5是符合这一实例的波形图。

当T1栅源极间承受正驱动电压时，T1导通，且B点电位大于零，PNP型三极管Q关断，由于T1的通态压降很低且近于零，比较器U1C的正输入端电位约等于零，小于给定的过流阈值，比较器U1C输出低电平；或非门U1N输出高电平；与非门U3N输出低电平；T1的脉冲封锁电路未被触发，T1正常工作。当T1栅源极间承受负驱动电压时，T1关断，且B点电位小于零，PNP型三极管Q开通，三极管Q发射极电位即为三极管Q的射集通态电压，约为0.3V，即比较器U1C的正输入端的输入电压为0.3V，小于负输入端的电压给定值2.3V，故比较器U1C的输出为低电平；或非门U1N输出为高电平；与非门U3N输出低电平；T1的脉冲封锁电路未被触发。

图5代表了上桥臂SiCMOSFET从正常工作至出现过流故障时在PSPICE仿真软件中的仿真波形，由上到下：

第一个波形代表半桥变换电路中上桥臂SiCMOSFET管T1的栅源电压Ugs；

第二个波形代表上桥臂过流检测驱动装置中三极管Q的射集电压Uec；

第三个波形代表上桥臂过流检测驱动装置中比较器U1C输出端O1的电压；

第四个波形代表上桥臂过流检测驱动装置中逻辑处理单元输出端O2的电压；

第五个波形代表上桥臂SiCMOSFET管T1的漏极电流Id。

实施例2

以上桥SiCMOSFET为例，说明SiCMOSFET半桥变换器在过电流出现时，其过电流检测保护电路的工作情况，显然过流故障只会出现在T1开通过程中。本发明实施例1和实施例2组合为工况一，也就是本发明技术方案所述电路用于自身电路中的过流保护情况。SiCMOSFET选用ROHM公司的型号为SCH2080KE 1200V 35A的开关管，图2中所涉及到的电源+VEE均为正5V电源，电阻Rd1和Rd2分别为0Ω和1MΩ，R4为5kΩ，实际测试驱动电路设计的正驱动电压为20V，假设确定过流保护阈值为28A，查图4的SiCMOSFET输出特性曲线可知此时对应的漏源电压为2.3V。根据公式计算可得比较器U1C的电压给定值应设为2.3V。再由公式计算可得可变电阻R5应设置为4.26kΩ。测试电路图3中电源E为150V，C1、C2均为3300μF，负载R为75Ω，电阻Ra为1Ω，寄生电感L为50nH，开关Sa在240μs时闭合，图5是符合这一实例的波形图。

当T1出现过流故障时，T1的栅源极间承受正驱动电压，B点电位大于零，三极管Q关断；随着漏极电流的不断增加，T1的漏源电压也会不断增加，即A点电压也会不断增加，故三极管Q发射极电位不断升高，当比较器U1C正输入端的输入电压增加直到大于给定过流阈值时，比较器U1C输出电平翻转变为高电平，此时发光二极管D1被点亮，同时或非门U1N输出为低电平，与非门U3N输出高电平，脉冲封锁单元触发T1的脉冲封锁电路，T1关断。

实施例3

以上桥SiCMOSFET为例，说明当有外部故障信号传入时，SiCMOSFET过电流检测保护电路的工作情况。

本发明实施例3就是工况二，也就是当有外部故障时，通过本发明技术方案所述电路实现对其他故障的保护。SiCMOSFET选用ROHM公司的型号为SCH2080KE 1200V 35A的开关管，图2中所涉及到的电源+VEE均为正5V电源，在240μs时接入***故障信号；测试电路图3中电源E为150V，C1、C2均为3300μF，负载R为75Ω，寄生电感L为50nH，在工况二下开关Sa不闭合。

当T1的漏源电压检测单元的输出信号为低电平，而***故障信号为高电平时，发光二极管D2被点亮，或非门U1N输出低电平，与非门U3N输出高电平，脉冲封锁单元的mos管M开通，触发T1的脉冲封锁电路，T1关断。

图6代表了上桥SiCMOSFET在***故障信号接入后过流检测保护电路在PSPICE仿真软件中的仿真波形，由上到下依次为：

第一个波形代表上桥过流检测驱动装置中***故障信号OF；

第二个波形代表上桥过流检测驱动装置中逻辑处理单元输出端O2的电压；

第三个波形代表上桥SiCMOSFET T1的漏极电流Id。

Claims (7)

1.SiCMOSFET变换器的过流保护装置，其特征在于，包括：漏源电压检测单元(1)，所述漏源电压检测单元(1)依次连接逻辑处理单元(2)、脉冲封锁单元(3)和SiCMOSFET(4)的栅极，所述漏源电压检测单元(1)还同时与SiCMOSFET(4)的漏极和源极连接，所述漏源电压检测单元(1)还连接脉冲封锁单元(3)，所述脉冲封锁单元(3)还同时与驱动单元(5)两端和SiCMOSFET(4)的源极连接；

所述逻辑处理单元(2)包括或非门U1N，所述或非门U1N的第一输入端与漏源电压检测单元(1)连接，或非门U1N的第二输入端与电阻R7的一端相连，电阻R7另一端与发光二极管D2的阳极相连，发光二极管D2的阴极与参考地相连；所述或非门U1N还设有可与外部控制器相连的第二输入端；所述或非门U1N的输出端与与非门U2N的第一输入端相连，与非门U2N的第二输入端与与非门U3N的输出端相连，与非门U2N的输出端O2同时与脉冲封锁单元(3)和与非门U3N的第一输入端连接，所述与非门U3N的第二输入端依次连接开关S和电源。

2.根据权利要求1所述的SiCMOSFET变换器的过流保护装置，其特征在于，所述漏源电压检测单元(1)包括电阻Rd1，所述电阻Rd1同时连接电阻Rc和电阻Rd2，电阻Rd2还连接参考地；

所述电阻Rc还连接三极管Q的发射极，所述三极管Q的集电极连接参考地，所述三极管Q的基极同时与稳压管Dz的阴极和电阻R3连接，电阻R3还同时与电阻R1的一端、电阻R2的一端连接，所述电阻R1另一端还与脉冲封锁单元(3)连接；所述电阻R2另一端同时与脉冲封锁单元(3)和SiCMOSFET(4)连接；所述稳压管Dz的阳极与参考地相连；

所述电阻Rc还与比较器U1C的正输入端连接，比较器U1C的负输入端同时与电阻R4和可变电阻R5连接，电阻R4还与电源连接，可变电阻R5还与参考地相连接；

所述比较器U1C的输出端O1同时连接电阻R6和逻辑处理单元(2)，电阻R6还与发光二极管D1的阳极连接，发光二极管D1的阴极与参考地连接；

所述电阻Rd1还与SiCMOSFET(4)连接。

3.根据权利要求1所述的SiCMOSFET变换器的过流保护装置，其特征在于，所述脉冲封锁单元(3)包括电阻Rg，电阻Rg一端与与非门U2N的输出端O2相连，另一端连接mos管M的栅极，mos管M的漏极同时与SiCMOSFET(4)、电阻R1和驱动单元(5)的输出端相连，mos管M的源极同时与SiCMOSFET(4)、电阻R2和驱动单元(5)的接地端相连。

4.根据权利要求3所述的SiCMOSFET变换器的过流保护装置，其特征在于，所述SiCMOSFET(4)的源极同时连接电阻R2、mos管M的源极和参考地，SiCMOSFET(4)的栅极连接mos管M的漏极，SiCMOSFET(4)的漏极与电阻Rd1连接。

5.根据权利要求2所述的SiCMOSFET变换器的过流保护装置，其特征在于，所述三极管Q为PNP型。

6.根据权利要求3所述的SiCMOSFET变换器的过流保护装置，其特征在于，所述mos管M为N沟道型。

7.SiCMOSFET变换器的过流保护方法，其特征在于，采用权利要求2所述的SiCMOSFET变换器的过流保护装置实现，按照如下步骤实现：

步骤一、查阅所选型号SiCMOSFET的数据手册，结合其实际驱动电压，确定该型号SiCMOSFET漏源电压和漏极电流之间的输出特性曲线；

步骤二、根据实际电路，确定过流保护阈值Idp；

步骤三、通过步骤一中的输出特性曲线获得达到过流保护阈值时SiCMOSFET的漏源电压阈值Vdsr；

步骤四、根据公式计算出比较器负输入端的给定值Vref，再根据公式调节可变电阻R5的阻值，

其中Rd1、Rd2、R4、R5分别为漏源电压检测单元中的电阻Rd1、电阻Rd2、电阻R4、可变电阻R5对应的阻值，VEE为所述SiCMOSFET变换器的过流保护装置中的电源；

步骤五、接通电路，该电路即可根据实际电路状态实现过流保护。