CN111585553A - 用于宽禁带半导体SiC MOSFET的短路保护结构及保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明为用于宽禁带半导体SiC MOSFET的短路保护结构及保护方法，包括比较和逻辑关断电路、RCD积分电路、复位电路，所述RCD积分电路包括积分电容C_f、积分电阻R_f、阻断二极管D_blo、接地电阻R_gro，接地电阻R_gro并联在阻断二极管D_blo两端，阻断二极管D_blo的正极端依次连接积分电阻R_f、积分电容C_f；积分电容C_f的另一端接地V_s,积分电容C_f的接地端连接SiC MOSFET的开尔文源极，阻断二极管D_blo的负极端连接SiC MOSFET的功率源极；RCD积分电路的输出端从积分电容C_f和积分电阻R_f之间引出，分别接入比较和逻辑关断电路、复位电路中。减小了传统的di/dt‑RC检测在负载短路故障情况下存在的巨大检测误差。在FUL故障下，本申请将短路保护的误差从51.3％降低到6.4％，保护时间缩短了50ns。

Description

用于宽禁带半导体SiC MOSFET的短路保护结构及保护方法

技术领域

本发明涉及用于宽禁带半导体SiC MOSFET的短路保护结构及保护方法。

背景技术

SiC MOSFET短路保护策略比IGBT更为重要和困难。这有三个原因。首先，SiCMOSFET工作场所面临着更严重的电磁干扰(EMI)问题，这可能导致控制信号部分出现错误，并最终导致短路故障。其次，SiC MOSFET的短路电流更高，芯片尺寸更小，因此其短路耐受时间比IGBT短。第三，随着温度的变化，SiC MOSFET的静态特性变化更大，这使得应用最广泛的退饱和检测技术的可靠性变低。

目前，SiC MOSFET短路保护大多借用IGBT短路保护方式，主要包括退饱和检测，电流传感器检测，采样电阻检测，di/dt检测。其中，传统的di/dt检测使用SiC MOSFET自身的寄生电感进行电流采集。使用RC积分电路(低通滤波器)还原电流波形。最后，添加比较，锁存和逻辑关断后即可实现SiC MOSFET的短路保护。但di/dt检测在负载短路故障(FUL)的情况下存在一些问题，下面将做详细说明。

传统的di/dt检测原理

为了与发明的检测方法相区别，之后将传统的di/dt检测统称为di/dt-RC检测。

A.基本原理和计算

常见的di/dt-RC检测原理如图1所示。从右到左分为三部分：微分电路，积分电路，比较和逻辑关断电路。下面将介绍这三个电路。

在微分电路中，通过SiC MOSFET的开尔文源极和功率源极之间的寄生电感L_Ss获得漏源电流i_DS的微分信息。寄生电感L_Ss两端的电压为：

其中di_DS/dt代表漏源电流i_DS的微分，V_Ss为寄生电感电压。

在积分电路中，将微分电路得到的寄生电感电压V_Ss信号进行积分，得到与漏源电流i_DS成比例的积分电容输出电压V_o，二者的比例系数约为A，按照公式(2)求得：

上式中，R_f、C_f和V_o分别是RC积分器的积分电阻、积分电容和积分电容输出电压，A定义为积分器输出电压(积分电容输出电压V_o)与实际电流(漏源电流i_DS)的比例值。

因为在短路条件下电流会急剧上升，仅需要高频积分器即可反应出短路时的电流信息。所以通常使用无源RC低通滤波器作为高频积分器。发生短路时，漏源电流i_DS急剧上升，对应的积分电容输出电压V_o的绝对值也急剧上升。

在比较和逻辑关断电路，积分电容输出电压V_o连接到比较器的正端，并且预先设定好的阈值电压V_(th)被连接到该比较器的负端。在确定寄生电感L_Ss、积分电阻R_f和积分电容C_f的设定值后，可以通过选择不同的阈值电压V_(th)来调整短路电流保护阈值。使用SR锁存器、关断MOSFET M_so和关断电阻R_so来实现短路保护所需的关断SiC MOSFET的功能，如图1的左部分所示。

B.RC积分电路的问题

实际上，更快、更简单的di/dt-RC检测尚未广泛用于SiC MOSFET的短路保护。因为它存在以下问题。

在说明问题之前，首先需要说明SiC MOSFET短路情况的分类(共两种)。SiCMOSFET开启时发生的短路故障称为硬开关故障(HSF)。SiC MOSFET完全开启后某一时刻发生的短路故障称为负载短路故障(FUL)。在无故障、HSF和FUL三种情况下，漏源电流i_DS和积分电容输出电压V_o的波形如图2所示。其中，时间t₁，时间t₄，HSF下积分电容峰值电压V_HSF和FUL下积分电容峰值电压V_FUL分别表示发生两种短路发生的时刻和积分电容输出电压V_o可以达到的峰值。HSF下漏源电流峰值i_HSF和FUL下漏源电流峰值i_FUL是与V_HSF和V_FUL对应的漏源电流i_DS的值。无故障漏源电流i_Nor是在无故障情况下器件开启后的漏源电流i_DS。无故障积分电容输出电压V_Nor是在无故障情况下器件开启瞬态(图2中(b)的t₂时刻)的积分电容的输出电压V_o。

当使用di/dt-RC短路检测方法时，在相同的短路电流峰值条件下，与HSF下积分电容峰值电压V_HSF相比，FUL下积分电容峰值电压V_FUL具有巨大的检测误差V'_err，如图2中(b)所示。原因如下，SiC MOSFET正常打开后为时间t₂时刻。在时间t₂至时间t₃时间段内，积分电容输出电压V_o通过寄生电感L_Ss和积分电阻R_f放电，直至变为0V。因此，在时间t₃之后，RC积分器会产生一个巨大的误差电压V_err，误差电压V_err与无故障漏源电流i_Nor成正比。在FUL故障的情况下，此误差电压V_err被FUL下积分电容峰值电压V_FUL体现出来为检测误差V'_err，所以检测误差V'_err约等于误差电压V_err。因为HSF故障发生在SiC MOSFET启动过程中，所以不会产生巨大的检测误差。综上可知，在FUL故障情况下，RC积分器检测的电流与实际电流相比存在i_Nor的检测误差。

由于这个检测误差，图1中比较器的正端子处的阈值电压V_(th)设计是困难的。如果阈值电压V_(th)的绝对值大于FUL下积分电容峰值电压V_FUL的绝对值，则显然在FUL条件下无法激活保护功能。如果阈值电压V_(th)的绝对值小于等于HSF下积分电容峰值电压V_HSF的绝对值，则在SiC MOSFET开关瞬态，由于电流振荡可能会产生误保护。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用于宽禁带半导体SiC MOSFET的短路保护结构及其保护方法。该保护结构中提出RCD积分电路，弥补了RC积分电路的误差，达到了提高di/dt检测的准确性的目的。之后将本发明称为di/dt-RCD检测短路保护法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于宽禁带半导体SiC MOSFET的短路保护结构，包括比较和逻辑关断电路，其特征在于，该结构还包括RCD积分电路、复位电路，

所述RCD积分电路包括积分电容C_f、积分电阻R_f、阻断二极管D_blo、接地电阻R_gro，接地电阻R_gro并联在阻断二极管D_blo两端，阻断二极管D_blo的正极端依次连接积分电阻R_f、积分电容C_f；积分电容C_f的另一端接地V_s,积分电容C_f的接地端连接开尔文源极，阻断二极管D_blo的负极端连接功率源极；RCD积分电路的输出端从积分电容C_f和积分电阻R_f之间引出，分别接入比较和逻辑关断电路、复位电路中；

所述复位电路的作用是在SiC MOSFET关断时把积分电容输出电压V_o降低到零，起到把积分电容强制复位的作用。

所述复位电路包括比较器U2，比较器U2的正输入端连接在电阻R₃和电阻R₄的连接处，电阻R₃另一端连接-5V电源，电阻R₄另一端连接+15V电源；比较器U2的动作电压V_(comp)要保证小于被保护的SiC MOSFET的开启电压；比较器U2的负输入端经电阻R₅连接到驱动脉冲V_gs与栅极电阻R_g的连接处，同时比较器U2的负输入端经电阻R₆接地V_s；比较器U2采用-5V和+15V供电；

比较器U2的输出端经复位电容C_RE分别连接复位电阻R_RE的一端、复位MOSFET M_reset的栅极，复位电阻R_RE的另一端连接到复位MOSFET M_reset的漏极上并接地V_s；复位MOSFETM_reset的源极连接在RCD积分电路的输出上，即积分电容C_f和积分电阻R_f之间。

所述比较和逻辑关断电路的电路构成是：积分电容输出电压V_o连接到比较器U1的正输入端，比较器U1的负输入端连接到电阻R₁和电阻R₂的连接点；电阻R₁另一端连接到-5V，电阻R₂另一端连接到地V_s(0V)；

比较器U1输出连接到SR锁存器U3的2S’端，SR锁存器U3的2R’端连接到地V_s端；SR锁存器U3的2Q端连接电阻R₇，电阻R₇另一端连接关断MOSFET M_so的栅极，关断MOSFET M_so是一个信号级的小MOSFET，关断MOSFET M_so的源极与SR锁存器U3的GND端都连接到-5V；当SR锁存器U3的2Q端输出正后，代表短路保护被触发，SR锁存器U3的2Q端使关断MOSFET M_so开启；关断MOSFET M_so的漏极连接关断电阻R_so，关断电阻R_so的另一端连接到驱动脉冲V_gs与栅极电阻R_g的连接处；关断MOSFET M_so开启后把驱动脉冲V_gs通过关断电阻R_so和关断MOSFET M_so的漏源极与-5V连接。

一种用于宽禁带半导体SiC MOSFET的短路保护方法，该方法采用上述的短路保护结构，其特征在于，RCD积分电路用于精确测量SiC MOSFET的短路漏源电流i_DS，当漏源电流i_DS大于设定的短路电流动作值时，RCD积分电路输出的电压信号使比较和逻辑关断电路动作，起到关断SiC MOSFET的作用；无论是短路时的关断还是正常时的关断，复位电路在每次SiC MOSFET关断后负责把RCD积分电路中的积分电容输出电压V_o变为0V。

在器件正常开通瞬态或者短路时，RCD积分电路起到将寄生电感电压V_Ss信号积分的作用，积分结果的输出为积分电容输出电压V_o；

在被保护的SiC MOSFET正常开通瞬态之后，但未到关断时刻的这段时间之内，当积分电容输出电压V_o释放时，阻断二极管D_blo处于阻断状态并且接地电阻R_gro设置为大电阻，所以积分电容输出电压V_o无法释放；若该时间段发生短路，积分电容输出电压V_o会从正常大小开始增加，能反映出正常的短路电流大小，使后边的比较和逻辑关断准确的识别短路故障，从而使器件能有效的被保护；

比较和逻辑关断电路中的比较器U1负极端子上的阈值电压V_(th)通过接地电阻R_gro和差分电阻R_dif形成回路电流，防止积分电容C_f被V_(th)误充电，而导致输出电压V_o误升高情况的发生；

当驱动脉冲V_gs小于0V时，SiC MOSFET关断，复位电路中的比较器U2的负输入端同样小于0V，这时比较器U2输出电位由-5V翻转到+15V，直到驱动脉冲V_gs再次大于0V，SiCMOSFET再次开启时；复位电路中的复位电容C_RE、复位电阻R_RE将比较器U2输出的由-5V翻转到+15V的阶跃信号转化为开通时间为复位脉冲时间t_reset大小的单脉冲信号在复位电阻R_RE两端输出，复位脉冲时间t_reset按照公式(3)计算得到；

复位电阻R_RE连接到复位MOSFET M_reset的栅漏两端，在复位脉冲时间t_reset时间内复位MOSFET M_reset处于开启状态，起到将积分电容电压V_o强制降为零的作用。

一种集成di/dt-RCD检测的双脉冲实验(DPT)平台，包括示波器、脉冲发生器、低压电源、负载电感L_load、高压电源，该实验平台还包括上管、下管、RCD积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路、驱动电路和上、下管组成的半桥电路；高压电源V_DC向半桥电路供电，上管并联一个负载电感L_load，下管的开尔文源极和功率源极之间串联寄生电感L_Ss，RCD积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路采用上述的结构构成短路保护电路PCB，短路保护电路PCB上有三个电源接口、一个RCD积分正接口、一个RCD积分负接口和一个保护关断接口，三个电源接口分别接低压电源提供的+15V、地V_s(0V)和-5V电压接口，RCD积分正接口、RCD积分负接口、保护关断接口分别对应连接下管的开尔文源极、功率源极、驱动脉冲V_gs；示波器获取记录的波形数据为：下管的漏源电流i_DS、RCD积分电路的积分电容输出电压V_o、比较和逻辑关断电路中关断MOSFET M_so的栅极电压V_{GS_MOFF}；

下管为待保护的宽禁带半导体SiC MOSFET，上管为额定电流值大于下管额定电流值的SiC MOSFET；

脉冲发生器用于产生上、下管的控制脉冲，该脉冲经过驱动电路产生驱动脉冲V_gs0、V_gs，驱动电路内对应上、下管分别有两个栅极电阻，上、下管各自连接一个栅极电阻R_g0、R_g，V_gs0、R_g0、V_gs和R_g用于控制上、下管的开启与关断。

使用上述的DPT实验平台完成di/dt-RCD检测在FUL故障下的保护测试方法，该测试方法的步骤是：

首先，低压电源供电，使装置的低压部分得以运行；设定脉冲发生器的脉冲和驱动电路的电压，从而使上、下管按设定的脉冲序列开通与关断；

设定高压电源V_DC输出300V，负载电感为200uH，按动脉冲发生器的触发按钮，上、下管会按设定的脉冲序列开通与关断，具体来说：

在t_{1_1}到t_{1_2}时间段，下管为开启状态，高压电源、负载电感L_load和下管形成通路，通路流过的通路电流i_load开始从零增加，使通路电流i_load达到下管的额定电流值，此时间段内下管栅漏电压始终为15V；

在t_{1_2}到t_{1_3}时间段，下管为关闭状态，负载电感L_load上的通路电流i_load通过上管的体二极管续流，电流大小基本维持在t_{1_2}时刻的大小，使下管完全关断并在t_{1_3}时刻再开启，此时间段内下管栅漏电压始终为-5V；

在t_{1_3}到t_{1_4}时间段，再次将下管打开，高压电源、负载电感L_load和下管再次形成通路，通路的电流i_load从t_{1_2}时的电流大小继续增加；在t_{1_4}时刻，打开上管，这相当于在t_{1_3}时刻下管开启之后突然把下管短路，即模拟了下管发生了FUL短路故障，t_{1_3}到t_{1_4}时间间隔的作用是使下管完全开启后再使上管开启；t_{1_3}到t_{1_4}时间段内下管的栅漏电压为15V，t_{1_1}到t_{1_4}时间段上管的栅漏电压为-5V，t_{1_4}时刻上管的栅漏电压变为15V；

t_{1_4}到t_{1_5}时间段用于进行保护电路测试，在t_{1_5}时刻同时关闭上、下管，测试结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现有的RC积分电路在器件正常开通瞬态之后，寄生电感电压V_Ss变为零，导致积分电容输出电压V_o通过寄生电感L_Ss和积分电阻R_f被释放为零，这样就导致了：如果在器件正常开通瞬态之后(但未到关断时刻)的这段时间之内发生了短路(或者叫FUL故障)，积分电容输出电压V_o会从零开始增加(因之前的电压释放)导致它所反映的短路电流偏小；这种检测误差会造成后边的比较和逻辑关断无法准确识别短路故障，使器件未能有效的被保护。本发明在其中引用了RCD积分电路，明显减小了di/dt检测在负载短路故障(FUL)情况下存在的检测误差，有效缩短了短路保护时间。

附图说明

图1为di/dt-RC检测保护电路的原理图。

图2为di/dt-RC检测在正常(无故障)、HSF故障和FUL故障三种情况下，漏源电流i_DS和积分电容输出电压V_o的波形图，其中(a)为漏源电流i_DS与时间的波形图，(b)为积分电容输出电压V_o的负数与时间的波形图。

图3为本发明(di/dt-RCD检测短路保护方法)用于宽禁带半导体SiC MOSFET短路保护的电路原理图。完全按照本图制作的PCB电路板即为提出的短路保护对应的电路板。

图4为本发明提出的di/dt-RCD检测与di/dt-RC检测在HSF故障和FUL故障两种情况下的波形比较，其中，(a)为漏源电流i_DS与时间的波形图，(b)为积分电容输出电压V_o的负数与时间的波形图。

图5为本发明(di/dt-RCD检测短路保护方法)结构中的微分电路、积分电路和比较和逻辑关断电路中的比较器的简略图。是为了简化分析，将图3的一部分单独摘出来形成的。

图6集成了di/dt-RCD检测的DPT实验平台。为了验证发明的正确性，搭建的验证实验装置。

图7集成了di/dt-RCD检测的DPT实验平台的对应原理图。

图8用来模拟FUL短路故障的脉冲序列。

图9为本发明的di/dt-RCD检测短路保护方法与di/dt-RC检测短路保护方法进行验证实验的波形对比图。其中(a)为di/dt-RCD检测短路保护方法的实验结果，(b)为di/dt-RC检测短路保护的实验结果。其中栅极电压V_{GS_MOFF}波形指的为关断SiC MOSFET所使用的信号级的关断MOSFET Mso的栅极电压波形。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明用于宽禁带半导体SiC MOSFET的短路保护结构(参见图3)包括RCD积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路，

为了方便解释以上三部分，将实际SiC MOSFET驱动电路用左上角的驱动脉冲V_gs和栅极电阻R_g组成的简易结构表示。

利用具有开尔文源结构的SiC MOSFET位于开尔文源极与功率源极间的寄生电感L_Ss作为电流信号的采集传感器。所述RCD积分电路包括积分电容C_f、积分电阻R_f、阻断二极管D_blo、接地电阻R_gro。接地电阻R_gro并联在阻断二极管D_blo两端，阻断二极管D_blo的正极端依次连接积分电阻R_f、积分电容C_f。积分电容C_f的另一端接地V_s,积分电容C_f的接地端连接开尔文源极，阻断二极管D_blo的负极端连接功率源极；RCD积分电路的输出端从积分电容C_f和积分电阻R_f之间引出，分别接入比较和逻辑关断电路、复位电路中；

上述涉及的各元器件的参数如下，其中接地电阻R_gro可在20-50kΩ这个范围选取，优选为30kΩ：

表1

L<sub>Ss</sub>	V<sub>s</sub>	D<sub>blo</sub>	R<sub>gro</sub>	C<sub>f</sub>	R<sub>f</sub>
						3nH	0V	Lbas70	30kΩ	470pF	300Ω

其中寄生电感L_Ss为SiC MOSFET固有参数，并不是人为设定的。

在SiC MOSFET正常开通瞬态或发生短路时，寄生电感L_Ss产生一个上正下负的寄生电感电压V_Ss。根据公式(1)

可知，这个电压与漏源电流i_DS大小的微分成比例，比例系数为寄生电感L_Ss大小。

本发明在寄生电感L_Ss两端连接RCD积分电路，用来还原出电流本身。当器件正常开通瞬态或者短路时，寄生电感电压V_Ss产生的电流由寄生电感L_Ss正端(SiC MOSFET开尔文源极)经过积分电容C_f、积分电阻R_f和阻断二极管D_blo并联接地电阻R_gro最终到达寄生电感L_Ss的负端(功率源极)。因为这时二极管处于正向导通状态，可将阻断二极管D_blo并联接地电阻R_gro看做为短路状态。综上可知在器件正常开通瞬态或者短路时，RCD积分器的效果与RC积分器相同，做到将寄生电感电压V_Ss信号积分的作用，积分结果的输出为积分电容输出电压V_o。根据公式：

可知积分电容输出电压V_o与漏源电流i_DS成正比，比例系数约为A。因此RCD积分电路做到了将器件正常开通瞬态或者短路时的漏源电流i_DS按照比例还原出来的作用。

本发明的RCD积分电路添加了阻断二极管D_blo并联接地电阻R_gro。积分电容输出电压V_o需要通过寄生电感L_Ss、积分电阻R_f和阻断二极管D_blo并联接地电阻R_gro才能被释放为零。但当积分电容输出电压V_o释放时，阻断二极管D_blo处于阻断状态并且接地电阻R_gro设置为30k欧姆的大电阻。所以积分电容输出电压V_o未被释放。因此在正常开通瞬态之后(但未到关断时刻)的这段时间之内发生短路时，相比于RC积分电路，RCD积分电路中积分电容输出电压V_o会从正常大小开始增加(因之前的电压未被释放)。因此它正确反映出了短路电流的大小，使后边的比较和逻辑关断准确的识别短路故障，使器件能有效的被保护。

本发明中的RCD积分电路添加接地电阻R_gro的原因是避免积分电容C_f后边连接的比较器本身对电容C_f的充电，导致误保护的发生。

所述复位电路的作用是在SiC MOSFET关断时把积分电容输出电压V_o降低到零，起到把电容强制复位的作用。包括比较器U2，比较器U2的正输入端连接在电阻R₃和电阻R₄的连接处，电阻R₃另一端连接-5V电源，电阻R₄另一端连接+15V电源；这样起到设定比较器U2动作电压的作用，此处使用的电阻R₃为1kΩ，电阻R₄为3kΩ，比较器U2动作电压V_(comp)为0V即可(比较器U2动作电压V_(comp)要保证小于被保护的SiC MOSFET的开启电压)。

比较器U2的负输入端经电阻R₅连接到驱动脉冲V_gs与栅极电阻R_g的连接处，同时比较器U2的负输入端经电阻R₆接地V_s；比较器U2采用-5V和+15V供电；

比较器U2的输出端经复位电容C_RE分别连接复位电阻R_RE的一端、复位MOSFET M_reset的栅极，复位电阻R_RE的另一端连接到复位MOSFET M_reset的漏极上并接地；复位MOSFET M_reset的源极连接在RCD积分电路的输出上，即积分电容C_f和积分电阻R_f之间。

当驱动脉冲V_gs小于0V(SiC MOSFET关断时)时，比较器U2的负输入端同样小于0V，这时比较器U2输出电位由-5V翻转到+15V，直到驱动脉冲V_gs再次大于0V(SiC MOSFET再次开启时)。复位电容C_RE、复位电阻R_RE将比较器U2输出的由-5V翻转到+15V的阶跃信号转化为开通时间为复位脉冲时间t_reset大小的单脉冲信号在复位电阻R_RE两端输出。复位脉冲时间t_reset计算如公式(3)所示

复位电阻R_RE连接到复位MOSFET M_reset的栅漏两端，在复位脉冲时间t_reset时间内复位MOSFET M_reset处于开启状态，因此做到了将积分电容C_f电压降为零的作用。

应当注意的是虽然复位电阻R_RE连接到复位MOSFET M_reset的栅漏两端而不是栅源两端，但是也可以开启复位MOSFET M_reset。因为复位MOSFET M_reset的漏源电压最高也只有1-2V，但是在开启时栅漏电压能达到15V,所以栅源电压能达到13-14V，完全可以开启复位MOSFET M_reset。

上述复位电路中各元器件的参数如下：

表2

R<sub>3</sub>

R<sub>4</sub>

R<sub>5</sub>

R<sub>6</sub>

U2

C<sub>RE</sub>

R<sub>RE</sub>

M<sub>reset</sub>

1kΩ

3kΩ

1kΩ

1kΩ

THS4631D

100pF

250Ω

BSS138P

比较和逻辑关断电路负责比较RCD积分电路中积分电容输出电压V_o与设定的阈值电压V_(th)的大小，之后再进行状态锁存与短路器件关断。具体原理如下：

积分电容输出电压V_o连接到比较器U1的正输入端，比较器U1的负输入端连接到电阻R₁和电阻R₂的连接点。电阻R₁另一端连接到-5V，电阻R₂另一端连接到地地V_s(0V)。这样起到设定比较器U1动作电压的作用，此处使用的电阻R₁为3.2kΩ，电阻R₂为1.8kΩ，所以比较器U1的阈值电压V_(th)为-1.8V。在此处，当SiC MOSFET短路电流的大小超过84.6A时，因为RCD积分器的作用，积分电容输出电压V_o降至小于-1.8V，所以比较器U1输出为-5V，比较器U1输出连接到SR锁存器U3的2S’端。又因为SR锁存器U3的2R’连接到地V_s端，所以SR锁存器U3的2Q端输出正并锁存(SR锁存器U3的2Q端输出一直变为正)。SR锁存器U3的2Q端连接电阻R₇，电阻R₇另一端连接关断MOSFET M_so的栅极，关断MOSFET M_so是一个信号级的小MOSFET，关断MOSFET M_so的源极与SR锁存器U3的GND端都连接到-5V。当SR锁存器U3的2Q端输出正后，代表短路保护被触发，SR锁存器U3的2Q端使关断MOSFET M_so开启。关断MOSFET M_so的漏极连接关断电阻R_so，关断电阻R_so的另一端连接到驱动脉冲V_gs与栅极电阻R_g的连接处。关断MOSFETM_so开启后把驱动脉冲V_gs通过关断电阻R_so和关断MOSFET M_so的漏源极与-5V连接。做到了强制将被保护SiC MOSFET的栅极电压由驱动脉冲V_gs电压大小降到接近-5V的大小(因为关断电阻R_so和关断MOSFET M_so的漏源间的导通电阻的分压作用，所以不能完全到达-5V)。这样使处于短路状态的SiC MOSFET关断。从而起到了SiC MOSFET短路保护的作用。

上述比较和逻辑关断电路的元器件参数如下：

表3

R<sub>1</sub>

R<sub>2</sub>

U1

R<sub>so</sub>

R<sub>7</sub>

M<sub>so</sub>

U3

3.2kΩ

1.8kΩ

ADCMP600

100

1Ω

LBSS138

SN74LS279

至此，RCD积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路的整体结构及原理解释完成。

本发明用于宽禁带半导体SiC MOSFET的短路保护方法，RCD积分电路用于精确测量SiC MOSFET的短路漏源电流i_DS，进行短路信号的检测，发生短路时，RCD积分电路通过寄生电感L_Ss捕捉到短路的信息并在积分电容C_f两端输出；当漏源电流i_DS大于设定的短路电流动作值时，RCD积分电路输出的电压信号使比较和逻辑关断电路动作(起到关断SiC MOSFET的作用)；复位电路在每次SiC MOSFET关断后(无论是短路时的关断还是正常时的关断)负责把RCD积分电路中的积分电容输出电压V_o变为0V。比较和逻辑关断电路负责采集RCD积分电路捕捉到的短路信息，并实现该信息的锁存，最终关断SiC MOSFET。

本发明方法的设计核心是：

从图2可以看出，在FUL故障发生时，RC积分电路出现误差的根本原因是积分电容C_f的电压在时间t₂到时间t₃的时间段内通过积分电阻R_f和寄生电感L_Ss被释放。为了解决这个问题，提出了如图3所示的RCD积分电路。它增加了一个阻断二极管D_blo，一个大的接地电阻R_gro和一个复位电路。每个部分的作用将在下面详细说明。

A.阻断二极管

添加的阻断二极管D_blo为该发明的核心，它可以防止在图2中的时间t₂之后积分电容输出电压V_o的释放(积分电容C_f放电)。同时，它对正向积分(积分电容C_f充电)基本无影响。图4(b)显示了RC和RCD积分电路的比较。在理想情况下，当在时间t'₄发生FUL时，RCD积分电路与RC积分电路相比，因为阻断二极管D_blo的作用，积分电容输出电压V_o提升了V_prom大小(prom是“提升”的英文promote的前四个字母)。达到了在相同的短路电流下，HSF和FUL故障时分别对应的积分电容输出电压V_o的峰值基本相同(V_{HSF_RCD}≈V_{FUL_RCD})的目的。因此，通过添加阻断二极管D_blo组成的RCD积分电路可以基本补偿RC积分电路的误差。

阻断二极管D_blo需要选择通态压降低，反向恢复电流小，开关速度快的肖特基二极管，并需要根据实际情况设计阻断二极管D_blo的额定正向电流，流入RCD积分电路的电流i_{RCD_P}的峰值可以估算为

其中，V_{Ss_P}是电感L_Ss两端的电压峰值，为了减少二极管正向电压对RC积分的影响，阻断二极管D_blo的额定电流应大于i_{RCD_P}。

因为阻断二极管D_blo的添加，又引起了新的问题。下面的B,C部分为该问题的解释与解决方法。

B.复位电路

阻断二极管D_blo弥补了RC积分电路的误差，同时它会阻断积分电容C_f的放电回路，这会导致在SiC MOSFET关断后(时间t'₅时刻及以后)积分电容输出电压V_o不会降低，如图4(b)中无复位标记的现象。这会导致积分电容输出电压V_o的累加，几个开关周期后会导致误保护。

添加复位电路后，当SiC MOSFET关断时，电容的电压被复位电路复位到零。原理是，当栅极驱动脉冲V_gs电压为零时，比较器U2输出一个正电压。正电压通过CR高通滤波器后，将成为控制复位MOSFET M_reset导通的脉冲信号。复位脉冲时间t_reset由CR高通滤波器确定。

其中，复位电容C_RE和复位电阻R_RE是CR高通滤波器的电阻和电容。

尽管复位电阻R_RE连接到SiC MOSFET开尔文源极(复位MOSFET M_reset的漏极)而不是复位MOSFET M_reset的源极。但是两个源极电压之间的差仅为一到两伏。因此，它不会影响复位MOSFET M_reset的开启。

C.接地电阻

为了在发生短路时实现短路判断功能，积分电容C_f需要连接到比较器U1，如图5所示。在比较器U1的两个输入之间有数百k欧姆的差分电阻R_dif。比较器U1负极端子上的阈值电压V_(th)通过积分电容C_f和差分电阻R_dif形成回路电流①。因此，积分电容输出电压V_o会逐渐增加直到等于阈值电压V_(th)，导致误保护。增加接地电阻R_gro可以形成回路电流②，将积分电容输出电压V_o拉低。

尽管接地电阻R_gro越小，积分电容输出电压V_o越接近0V。但是，如果接地电阻R_gro太小，阻断二极管D_blo将失去作用。接地电阻R_gro折中的选择为30kΩ。

di/dt-RC检测与di/dt-RCD检测短路保护测试实验：

实验测试：

本实验使用双脉冲测试(DPT)电路模拟FUL短路故障，并通过di/dt-RCD检测与di/dt-RC检测分别实现了FUL短路保护。对比验证了di/dt-RCD检测的作用。下面介绍了具体的平台结构、测试方法、关键参数设定和实验结果。

DPT实验平台结构如下：

表4

集成了di/dt-RCD检测的DPT实验平台如图6所示。本实验将对平台的下管模拟FUL故障并保护，该实验平台包括示波器、脉冲发生器、低压电源、负载电感L_load、上管、下管、高压电源、RCD积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路。图7为图6的原理图，表4为两图中各原件的对应关系。其中高压电源V_DC向上、下管(上、下SiC MOSFET)组成半桥电路供电，上管并联一个负载电感L_load，下管的开尔文源极和功率源极之间串联寄生电感L_Ss，RCD积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路按照图3的连接方式构成短路保护电路PCB，短路保护电路PCB上有三个电源接口、一个RCD积分正接口、一个RCD积分负接口和一个保护关断接口，其中三个电源接口分别接低压电源提供的+15V、0V和-5V电压，另外RCD积分正接口①、RCD积分负接口②、保护关断接口③分别对应连接下管的开尔文源极、功率源极、驱动脉冲V_gs；示波器未在图7中标出，其记录的波形数据为：下管的漏源电流i_DS、RCD积分电路的积分电容输出电压V_o、比较和逻辑关断电路中关断MOSFET M_so的栅极电压V_{GS_MOFF}；

下管为待保护的宽禁带半导体SiC MOSFET，上管为额定电流值大于下管额定电流值的SiC MOSFET；

脉冲发生器用于产生上、下管的控制脉冲(可用DSP、脉冲发生模拟电路等装置实现脉冲发生器功能)，该脉冲经过驱动电路产生驱动脉冲V_gs0、V_gs。驱动电路内对应上、下管分别有一个栅极电阻，上、下管各自连接一个栅极电阻R_g0、R_g。图7将图6中的脉冲发生器和驱动电路简化为V_gs0、R_g0、V_gs和R_g用于表示控制上、下管的开启与关断。驱动电路的具体结构为现有成熟技术，在此不再赘述。

本实验模拟了下管(指的被保护的SiC MOSFET)的FUL故障，并完成了di/dt-RCD检测的性能测试，测试方法和关键参数设定如下：

首先，低压电源供电，使装置的低压电路部分(驱动和短路保护电路PCB两部分)得以运行。按照图8的脉冲序列设定图6中脉冲发生器的脉冲和驱动电路的电压，从而使图6中的上、下管按图8的脉冲序列开通与关断。在图8中，脉冲的时间间隔按照表5所示设定，脉冲的电压按照图8所示设定。

表5

t<sub>1_1</sub>-t<sub>1_2</sub>	t<sub>1_2</sub>-t<sub>1_3</sub>	t<sub>1_3</sub>-t<sub>1_4</sub>	t<sub>1_4</sub>-t<sub>1_5</sub>
				20us	5us	1us	2us

需要注意在实验中的时间间隔无法与表5完全准确一致，但该实验误差不会影响短路保护的测试结果。

设定图6中高压电源V_DC输出300V，负载电感为200uH。按动脉冲发生器的触发按钮，上、下管会按图8的脉冲序列开通与关断。具体来说：

在t_{1_1}到t_{1_2}时间段，下管为开启状态，高压电源、负载电感L_load和下管形成通路。通路流过的电流i_load开始从零增加，使通路电流i_load达到下管的额定电流值，t_{1_1}-t_{1_2}时长设定约为20us。

这在t_{1_2}到t_{1_3}时段，下管为关闭状态，负载电感L_load上的通路电流i_load通过上管的体二极管续流，电流大小基本维持在t_{1_2}时刻的大小。t_{1_2}到t_{1_3}时间间隔的作用是使下管完全关断后再开启，因此t_{1_2}-t_{1_3}时间间隔大于1us即可。

在t_{1_3}时刻，再次将下管打开，高压电源、负载电感L_load和下管再次形成通路，通路的电流i_load从t_{1_2}时的电流大小继续增加。在t_{1_4}时刻，打开上管，这相当于在下管开启(t_{1_3}时刻)之后突然把下管短路，即模拟了下管发生了FUL短路故障。t_{1_3}到t_{1_4}时间间隔的作用是使下管完全开启后再使上管开启，因此t_{1_3}到t_{1_4}时间间隔大于1us即可。

选取的上管的额定电流值应大于下管额定电流值，并且上管开通足够快，因此此处选用了额定电流更大的SiC MOSFET作为上管。为了避免短路保护电路不起作用造成对SiC MOSFET的损害，在t_{1_5}时刻同时关闭了上、下管。t_{1_4}到t_{1_5}时间间隔设定为2us，这样既能验证保护电路的作用，又能确保器件不受损害。

除上述实验方法外，还有一些参数和计算结果。首先，在短路保护电路PCB中的所有器件参数已在表1、表2、表3中列出。其次，用于短路测试的SiC MOSFET的额定工作电流为30A。最后，根据公式(2)，积分电容输出电压V_o与漏源电流i_DS的比例系数A为1/47，此处设置的比较器U1阈值电压V_(th)设置为-1.8V，对应的阈值电流为84.6A(1.8*47)。

使用上述DPT实验平台完成di/dt-RCD检测在FUL故障下的保护测试后还需进行di/dt-RC检测在FUL故障下的保护测试作为对比验证。

实现方法为：在上述DPT实验平台的基础上，将DPT实验平台中的RCD电路的阻断二极管D_blo(D_blo具***置见图3)的两端短接即可。因为复位电路不会影响di/dt-RC检测的保护效果，所以未将复位电路去除。

示波器记录的波形和试验方法与di/dt-RCD检测相同。

实验结果：

FUL情况下的短路保护实验结果如图9所示，其中(a)和(b)分别是所提出的di/dt-RCD检测和di/dt-RC检测的实验结果。为了方便观察，图9的波形只截取了第二个脉冲的(图8中t_{1_3}到t_{1_5}时段)的波形，并将其细分为t₁、t₂、t₃、t₄、t₅和t₆这六个时间节点。

在图9中：时间t₁-t₂是DPT中第二个脉冲的上升过程(SiC MOSFET开启)。在t₃时刻(对应图8中t_{1_4}时刻)，DPT实验平台的上管开通，模拟出了FUL故障。在t₄时刻，积分电容输出电压V_o达到短路保护设定的阈值电压V_(th)。在实验中，短路保护的阈值电压V_(th)为-1.8V。根据公式(2)，-1.8V对应的阈值电流为84.6A(1.8*47)。t₅时刻是关断MOSFET M_SO(短路保护中控制SiC MOSFET关断的信号级MOSFET)的栅极电压V_{GS_MOFF}开始上升的时刻。时间t₄到t₅约为16ns，这是逻辑延迟时间。在t₆时，关断MOSFET M_SO已打开，然后SiC MOSFET关闭了。二者保护效果数据见表6。

表6 RC与RCD积分电路保护效果对比

积分电路	理论阈值电流	实际阈值电流	检测误差	短路极限电流	总保护时间
						RC	84.6A	128A	51.3％	150A	110ns
RCD	84.6A	90A	6.4％	132A	60ns

可以看出，与RC积分电路相比，所提出的RCD积分电路在FUL故障的情况下可将检测误差降低44.9％，将保护时间(图9中t₃-t₆)降低50ns。

此外，应注意的是，为了使di/dt-RC检测能够实现短路保护功能，在整个实验(包括di/dt-RC检测与di/dt-RCD检测短路保护测试实验)过程中设置的阈值电流略小于额定电流的三倍。但是发明的di/dt-RCD检测(因具有较小检测误差)可以把短路保护的阈值电流设置为额定电流的四倍。较大的阈值电流最大程度的降低了SiC MOSFET开关瞬态因漏源电流i_DS振荡造成误保护的风险。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种用于宽禁带半导体SiC MOSFET的短路保护结构，包括比较和逻辑关断电路，其特征在于，该结构还包括RCD积分电路、复位电路，

所述RCD积分电路包括积分电容C_f、积分电阻R_f、阻断二极管D_blo、接地电阻R_gro，接地电阻R_gro并联在阻断二极管D_blo两端，阻断二极管D_blo的正极端依次连接积分电阻R_f、积分电容C_f；积分电容C_f的另一端接地V_s,积分电容C_f的接地端连接SiC MOSFET的开尔文源极，阻断二极管D_blo的负极端连接SiC MOSFET的功率源极；RCD积分电路的输出端从积分电容C_f和积分电阻R_f之间引出，分别接入比较和逻辑关断电路、复位电路中；

所述复位电路的作用是在SiC MOSFET关断时把积分电容输出电压V_o降低到零，起到把积分电容强制复位的作用。

2.根据权利要求1所述的短路保护结构，其特征在于，所述接地电阻R_gro为20-50kΩ，阻断二极管D_blo为通态压降低、反向恢复电流小、且开关速度快的肖特基二极管，优选接地电阻R_gro为30kΩ。

3.根据权利要求1所述的短路保护结构，其特征在于，所述复位电路包括比较器U2，比较器U2的正输入端连接在电阻R₃和电阻R₄的连接处，电阻R₃另一端连接-5V电源，电阻R₄另一端连接+15V电源；比较器U2的动作电压V_(comp)要保证小于被保护的SiC MOSFET的开启电压；比较器U2的负输入端经电阻R₅连接到驱动脉冲V_gs与栅极电阻R_g的连接处，同时比较器U2的负输入端经电阻R₆接地V_s；比较器U2采用-5V和+15V供电；

比较器U2的输出端经复位电容C_RE分别连接复位电阻R_RE的一端、复位MOSFET M_reset的栅极，复位电阻R_RE的另一端连接到复位MOSFET M_reset的漏极上并接地V_s；复位MOSFET M_reset的源极连接在RCD积分电路的输出上，即积分电容C_f和积分电阻R_f之间。

4.根据权利要求3所述的短路保护结构，其特征在于，电阻R₃为1kΩ，电阻R₄为3kΩ，比较器U2动作电压V_(comp)为0V，C_RE为100pF，R_RE为250Ω。

5.根据权利要求1所述的短路保护结构，其特征在于，所述比较和逻辑关断电路的电路构成是：积分电容输出电压V_o连接到比较器U1的正输入端，比较器U1的负输入端连接到电阻R₁和电阻R₂的连接点；电阻R₁另一端连接到-5V，电阻R₂另一端连接到地V_s(0V)；

比较器U1输出连接到SR锁存器U3的2S’端，SR锁存器U3的2R’端连接到地V_s端；SR锁存器U3的2Q端连接电阻R₇，电阻R₇另一端连接关断MOSFET M_so的栅极，关断MOSFET M_so是一个信号级的小MOSFET，关断MOSFET M_so的源极与SR锁存器U3的GND端都连接到-5V；当SR锁存器U3的2Q端输出正后，代表短路保护被触发，SR锁存器U3的2Q端使关断MOSFET M_so开启；关断MOSFET M_so的漏极连接关断电阻R_so，关断电阻R_so的另一端连接到驱动脉冲V_gs与栅极电阻R_g的连接处；关断MOSFET M_so开启后把驱动脉冲V_gs通过关断电阻R_so和关断MOSFET M_so的漏源极与-5V连接。

6.根据权利要求5所述的短路保护结构，其特征在于，电阻R₁为3.2kΩ，电阻R₂为1.8kΩ，比较器U1的阈值电压V_(th)为-1.8V。

7.一种用于宽禁带半导体SiC MOSFET的短路保护方法，该方法采用权利要求1-6任一所述的短路保护结构，其特征在于，RCD积分电路用于精确测量SiC MOSFET的短路漏源电流i_DS，当漏源电流i_DS大于设定的短路电流动作值时，RCD积分电路输出的电压信号使比较和逻辑关断电路动作，起到关断SiC MOSFET的作用；无论是短路时的关断还是正常时的关断，复位电路在每次SiC MOSFET关断后负责把RCD积分电路中的积分电容输出电压V_o变为0V。

8.根据权利要求7所述的短路保护方法，其特征在于，

在器件正常开通瞬态或者短路时，RCD积分电路起到将寄生电感电压V_Ss信号积分的作用，积分结果的输出为积分电容输出电压V_o；

在被保护的SiC MOSFET正常开通瞬态之后，但未到关断时刻的这段时间之内，当积分电容输出电压V_o释放时，阻断二极管D_blo处于阻断状态并且接地电阻R_gro设置为大电阻，所以积分电容输出电压V_o无法释放；若该时间段发生短路，积分电容输出电压V_o会从正常大小开始增加，能反映出正常的短路电流大小，使后边的比较和逻辑关断准确的识别短路故障，从而使器件能有效的被保护；

比较和逻辑关断电路中的比较器U1负极端子上的阈值电压V_(th)通过接地电阻R_gro和差分电阻R_dif形成回路电流，防止积分电容C_f被V_(th)误充电，而导致输出电压V_o误升高情况的发生；

当驱动脉冲V_gs小于0V时，SiC MOSFET关断，复位电路中的比较器U2的负输入端同样小于0V，这时比较器U2输出电位由-5V翻转到+15V，直到驱动脉冲V_gs再次大于0V，SiC MOSFET再次开启时；复位电路中的复位电容C_RE、复位电阻R_RE将比较器U2输出的由-5V翻转到+15V的阶跃信号转化为开通时间为复位脉冲时间t_reset大小的单脉冲信号在复位电阻R_RE两端输出，复位脉冲时间t_reset按照公式(3)计算得到；

复位电阻R_RE连接到复位MOSFET M_reset的栅漏两端，在复位脉冲时间t_reset时间内复位MOSFET M_reset处于开启状态，起到将积分电容电压V_o强制降为零的作用。

9.一种集成di/dt-RCD检测的双脉冲实验(DPT)平台，包括示波器、脉冲发生器、低压电源、负载电感L_load、高压电源，该实验平台还包括上管、下管、RCD积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路、驱动电路和上、下管组成的半桥电路；高压电源V_DC向半桥电路供电，上管并联一个负载电感L_load，下管的开尔文源极和功率源极之间串联寄生电感L_Ss，RCD积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路采用权利要求1-6任一所述的结构构成短路保护电路PCB，短路保护电路PCB上有三个电源接口、一个RCD积分正接口、一个RCD积分负接口和一个保护关断接口，三个电源接口分别接低压电源提供的+15V、0V和-5V电压接口，RCD积分正接口、RCD积分负接口、保护关断接口分别对应连接下管的开尔文源极、功率源极、驱动脉冲V_gs；示波器获取记录的波形数据为：下管的漏源电流i_DS、RCD积分电路的积分电容输出电压V_o、比较和逻辑关断电路中关断MOSFET M_so的栅极电压V_{GS_MOFF}；

下管为待保护的宽禁带半导体SiC MOSFET，上管为额定电流值大于下管额定电流值的SiC MOSFET；

脉冲发生器用于产生上、下管的控制脉冲，该脉冲经过驱动电路产生驱动脉冲V_gs0、V_gs，驱动电路内对应上、下管分别有一个栅极电阻，上、下管各自连接一个栅极电阻R_g0、R_g，V_gs0、R_g0、V_gs和R_g用于控制上、下管的开启与关断。

10.使用权利要求9所述的DPT实验平台完成di/dt-RCD检测在FUL故障下的保护测试方法，该测试方法的步骤是：

首先，低压电源供电，使装置的低压部分得以运行；设定脉冲发生器的脉冲和驱动电路的电压，从而使上、下管按设定的脉冲序列开通与关断；

设定高压电源V_DC输出300V，负载电感为200uH，按动脉冲发生器的触发按钮，上、下管会按设定的脉冲序列开通与关断，具体来说：

在t_{1_1}到t_{1_2}时间段，下管为开启状态，高压电源、负载电感L_load和下管形成通路，通路流过的通路电流i_load开始从零增加，使通路电流i_load达到下管的额定电流值，此时间段内下管栅漏电压始终为15V；

在t_{1_2}到t_{1_3}时间段，下管为关闭状态，负载电感L_load上的通路电流i_load通过上管的体二极管续流，电流大小基本维持在t_{1_2}时刻的大小，使下管完全关断并在t_{1_3}时刻再开启，此时间段内下管栅漏电压始终为-5V；

在t_{1_3}到t_{1_4}时间段，再次将下管打开并保持开启状态，高压电源、负载电感L_load和下管再次形成通路，通路的电流i_load从t_{1_2}时的电流大小继续增加；在t_{1_4}时刻，打开上管，并且下管继续保持开启状态，这相当于在t_{1_3}时刻下管开启之后突然把下管短路，即模拟了下管发生了FUL短路故障，t_{1_3}到t_{1_4}时间间隔的作用是使下管完全开启后再使上管开启；t_{1_3}到t_{1_4}时间段内下管的栅漏电压为15V，t_{1_1}到t_{1_4}时间段上管的栅漏电压为-5V，t_{1_4}时刻下管的栅漏电压保持15V并且上管的栅漏电压变为15V；

t_{1_4}到t_{1_5}时间段用于进行保护电路测试，在t_{1_5}时刻同时关闭上、下管，测试结束。

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