CN111969561A - 一种SiC MOSFET IPM快速短路保护电路 - Google Patents

一种SiC MOSFET IPM快速短路保护电路 Download PDF

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杨媛
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Abstract

本发明公开了一种SiC MOSFET IPM快速短路保护电路，包括由6个SiC MOSFET组成的三相桥式功率单元，三相桥式功率单元中的每个SiC MOSFET的源极以及每相交流输出端均串联有1个分流器，记为分流器RS1‑RS9，每相交流输出端的3个分流器用以检测负载短路故障，每个SiC MOSFET的源极分流器用以检测硬开关短路故障。本发明解决了现有技术中存在的保护电路的消隐时间过长，造成SiC MOSFET IPM损坏的问题。

Description

一种SiC MOSFET IPM快速短路保护电路
技术领域
本发明属于SiC MOSFET功率模块的短路保护技术领域，具体涉及一种SiC MOSFETIPM快速短路保护电路。
背景技术
SiC MOSFET作为新一代功率半导体器件，具有高阻断电压、低损耗和快速开关的特性，其智能功率模块将功率芯片、续流二极管芯片以及各种驱动保护电路封装在同一绝缘模块之中，在内部集成了逻辑、控制、检测、保护电路、温度传感器、电流传感器等功能模块，并可将检测信号送到CPU或DSP进行处理。随着科技的发展，SiC MOSFET IPM在家用电器，变频器，电力机车，智能电网等各个领域获得广泛的应用。由于中大功率SiC MOSFETIPM通常工作在高电压大电流的恶劣环境之下，在实际运行中常常会发生过流故障，SiCMOSFET过电流分为过载过流和短路过流，过载过流在短时间内不会对SiC MOSFET IPM的正常运行产生太大影响，但当发生短路过流时，SiC MOSFET的短路耐受时间仅为3μs，比IGBT的10μs还短，因此为了保证SiC MOSFET IPM的正常运行，当发生短路、过流、过温或欠压时，SiC MOSFET IPM模块必须有纳秒级别快速检测短路时间，然后迅速进行保护。
传统的短路电流检测发法有漏-源极饱和电压检测法和漏极电流变化率di/dt检测法。漏-源极饱和电压检测法不需电流传感器件，只需简单的二极管和比较电路，成本低，但它在保护电路中存在消隐电路，造成了1-2μs的检测盲区不能检测到过流，这严重威胁着SiC MOSFET IPM的安全使用。漏极电流变化率di/dt检测法可以解决盲区问题，但中大功率SiC MOSFET的LsS比较小，其值也难以确认。同时，由于IPM中没有辅助功率源极s，不存在LsS，因此di/dt检测法无法应用到SiC MOSFET IPM检测保护电路中。本发明设计了DBC(direct bond coppe)底板集成分流器的大功率IPM新拓扑，使用ANSYS Q3D软件提取模块参数和分流器寄生参数，再使用ANSYS MAXWELL软件模拟分流器随频率变化对应的电阻和电感变化，建立等效电路模型，最后通过电流ID检测模块实现SiC MOSFET IPM负载过流和短路过流快速无盲区检测和保护。
发明内容
本发明的目的是提供一种SiC MOSFET IPM快速短路保护电路，解决了现有技术中存在的保护电路的消隐时间过长，造成SiC MOSFET IPM损坏的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种SiC MOSFET IPM快速短路保护电路，包括由6个SiC MOSFET组成的三相桥式功率单元，三相桥式功率单元中的每个SiC MOSFET的源极以及每相交流输出端均串联有1个分流器，记为分流器RS1-RS9，每相交流输出端的3个分流器用以检测负载短路故障，每个SiC MOSFET的源极分流器用以检测硬开关短路故障。
本发明的特点还在于，
三相桥式功率单元的输出端与输入端之间还依次设置有滤波补偿电路、放大电路、比较电路、隔离电路和驱动电路，当检测到短路故障时，采集电压迅速增大，经过滤波补偿电路和放大电路后与阈值电压进行比较，得到的驱动信号通过隔离电路传给驱动电路，使驱动电路关断故障支路所属的SiC MOSFET，快速保护SiC MOSFET IPM模块。
分流器RS1-RS9均为0.333毫欧、9W的分流器。
滤波补偿电路具体结构为：包括补偿电阻Rcomp和补偿电容Ccomp串联后接地形成滤波补偿装置，补偿电阻Rcomp与补偿电容Ccomp非连接的一端与分流器的一端相连，补偿电容Ccomp与补偿电阻Rcomp非连接的一端连接到分流器的另一端，每一个分流器的两端均分别连接一个滤波补偿装置，补偿电阻Rcomp和补偿电容Ccomp连接处还与放大电路相连。
放大电路具体结构为：电阻R1的一端连接在滤波补偿电路的补偿电阻Rcomp和补偿电容Ccomp之间，另一端和电容C1串联后接地，电阻R2并联于电容C1两端，电阻R2同时与放大器的正极相连，放大器的负极与电阻R3相连后接地，放大器的负极同时与电阻R4连接后与放大器的输出端连接，放大器的输出端与电阻R5连接后接地，放大器的输出端又与比较电路的输入端相连。
比较电路具体结构为：比较器的正极与所述放大电路连接，比较器的负极与电阻R6连接后接地，比较器的负极同时还连接电阻R7后与正20V电压连接，比较器的输出端通过电阻R8连接到正5V的电压，比较器的输出端同时与隔离电路相连。
隔离电路具体结构为：发光二极管和三极管构成光耦隔离，其中，发光二极管正极与所述比较电路的输出相连，发光二极管的负极与电阻R9连接后接地，三极管的集电极通过电阻R10后连接到正5V的电压，三极管的发射极与所述驱动电路连接。
驱动电路具体结构为：PWM波脉冲输出通过反相器与NPN型三极管Q1相连后接地，PWM波脉冲输出同时还分别连接NPN型三极管Q2和PNP型三极管Q3，NPN型三极管Q2的集电极与正20V电压连接，NPN型三极管Q2的发射极与PNP型三极管Q3的发射极相连，PNP型三极管Q3的集电极连接与负5V电压连接，NPN型三极管Q2的发射极和PNP型三极管Q3的发射极之间通过电阻R12与SiC MOSFET的栅极连接，NPN型三极管Q1的基极与隔离电路中三极管的发射极相连。
本发明的有益效果是，传统的饱和电压检测法存在盲区时间，整个短路保护过程时间较长，很容易造成SiC MOSFET IPM模块的损坏。本发明一种SiC MOSFET IPM快速短路保护电路，使用ANSYS Q3D软件提取分流器寄生参数，进行RC滤波器补偿，从而减小寄生参数。使用ANSYS MAXWELL软件模拟分流器随频率变化对应的电阻和电感变化，可以看出SiCMOSFET开通关断的频率对内部集成电阻和寄生电感的影响。由此，选择分流器最佳过流检测点，可以得到小幅度范围内高精度的阈值电压。将电阻数值已知的分流器串联在SiCMOSFET的源极，通过测量分流器两端的电压，即可获得被测电流的大小，从而可以实现纳秒级别硬开关短路故障和负载短路故障无盲区检测和保护。
附图说明
图1是本发明分流器的大功率IPM新拓扑图。
图2是本发明SiC MOSFETIPM功率单元拓扑图。
图3是本发明分流器精确阻值的测量电路。
图4是本发明对分流器寄生电感进行RC滤波补偿电路图。
图5是本发明无电流检测盲区传感器电路图。
图6是本发明SiC MOSFET频率变化对应分流器电阻和电感变化图。
图7(a)是本发明分流器检测法检测硬开关短路波形图。
图7(b)是本发明分流器检测法检测负载短路波形图。
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。
本发明一种SiC MOSFET IPM快速短路保护电路，结构如图1～2所示，包括由6个SiC MOSFET组成的三相桥式功率单元，三相桥式功率单元中的每个SiC MOSFET的源极以及每相交流输出端均串联有1个分流器，记为分流器RS1-RS9，每相交流输出端的3个分流器用以检测负载短路故障，每个SiC MOSFET的源极分流器用以检测硬开关短路故障。
三相桥式功率单元的输出端与输入端之间还依次设置有滤波补偿电路、放大电路、比较电路、隔离电路和驱动电路，当检测到短路故障时，采集电压迅速增大，经过滤波补偿电路和放大电路后与阈值电压进行比较，得到的驱动信号通过隔离电路传给驱动电路，使驱动电路关断故障支路所属的SiC MOSFET，快速保护SiC MOSFET IPM模块。
分流器RS1-RS9均为0.333毫欧、9W的分流器。
如图5所示，滤波补偿电路具体结构为：包括补偿电阻Rcomp和补偿电容Ccomp串联后接地形成滤波补偿装置，补偿电阻Rcomp与补偿电容Ccomp非连接的一端与分流器的一端相连，补偿电容Ccomp与补偿电阻Rcomp非连接的一端连接到分流器的另一端，每一个分流器的两端均分别连接一个滤波补偿装置，补偿电阻Rcomp和补偿电容Ccomp连接处还与放大电路相连。
放大电路具体结构为：电阻R1的一端连接在滤波补偿电路的补偿电阻Rcomp和补偿电容Ccomp之间，另一端和电容C1串联后接地，电阻R2并联于电容C1两端，电阻R2同时与放大器的正极相连，放大器的负极与电阻R3相连后接地，放大器的负极同时与电阻R4连接后与放大器的输出端连接，放大器的输出端与电阻R5连接后接地，放大器的输出端又与比较电路的输入端相连。
比较电路具体结构为：比较器的正极与所述放大电路连接，比较器的负极与电阻R6连接后接地，比较器的负极同时还连接电阻R7后与正20V电压连接，比较器的输出端通过电阻R8连接到正5V的电压，比较器的输出端同时与隔离电路相连。
隔离电路具体结构为：发光二极管和三极管构成光耦隔离，其中，发光二极管正极与所述比较电路的输出相连，发光二极管的负极与电阻R9连接后接地，三极管的集电极通过电阻R10后连接到正5V的电压，三极管的发射极与所述驱动电路连接。
驱动电路具体结构为：PWM波脉冲输出通过反相器与NPN型三极管Q1相连后接地，PWM波脉冲输出同时还分别连接NPN型三极管Q2和PNP型三极管Q3，NPN型三极管Q2的集电极与正20V电压连接，NPN型三极管Q2的发射极与PNP型三极管Q3的发射极相连，PNP型三极管Q3的集电极连接与负5V电压连接，NPN型三极管Q2的发射极和PNP型三极管Q3的发射极之间通过电阻R12与SiC MOSFET的栅极连接，NPN型三极管Q1的基极与隔离电路中三极管的发射极相连。
以试制的集成分流器的SiC MOSFET IPM为例，SiC MOSFET额定电压为1200V，额定电流为180A。首先设计SiC MOSFET IPM功率单元拓扑图，功率单元拓扑图如图2所示。功率单元中的每个SiC MOSFET的源极以及每相交流输出端都串联了1个0.333毫欧、9W的分流器，本发明共集成了9个分流器RS1-RS9。为了精确获得每个分流器的电阻值，本发明中设计了如图3所示的分流器精确阻值测量电路。以桥臂1为例作为测量对象，在桥臂外部加设直流电流源，直流电流源和所测桥臂形成回路，桥臂中的两个SiC MOSFET处于关断状态，直流电流源产生的电流I通过桥臂中的两个分流器和续流二极管形成通路。将电流I从DC10A开始加载，每5A逐步增加，直至180A。用分流器两端的测量电压Vshunt除以I就可以得到分流器的精确阻值，对数据进行分析可知，分流器的精确电阻阻值为0.34毫欧。
由于所有的分流器都会产生寄生电感，所以每个分流器的测量电压包括电阻上的电压和寄生电感上的电压。在SiC MOSFET快速开通和关断时，由于电流变化率很大，导致SiC MOSFET所在支路分流器的寄生电感上的电压会很大，从而导致错误的测量结果。所以在每个分流器的两端都并联一个包含RC滤波器的频率响应补偿电路来提高分流器的测量特性，RC滤波补偿电路如图4所示，这样寄生电感上的电压可以被RC滤波器上的电压所抵消，使得实际上的测量电压就是分流器电阻上的电压。所以分流器两端的电压就可以表示流过分流器的电流ID的大小。
以任意一个SiC MOSFET为例，无电流检测盲区传感器电路如图5所示，SiC MOSFET源极上的分流器经过RC滤波电路后与放大电路相连，然后与比较电路相连，经过比较电路后得到的驱动信号通过光耦隔离传送给驱动电路，再进行保护动作。SiC MOSFET的电流ID经过滤波补偿后，转换为电压，然后通过放大电路后与设定阈值做比较，如果大于设定阈值，输出信号发生反转，驱动电路关断，快速保护SiC MOSFET IPM模块，如果小于设定阈值，电路正常工作。由于分流器阻值为0.34mΩ，SiC MOSFET额定电流为180A，选取2倍额定电流为阈值，放大倍数为21倍，转换为电压就是0.00034×180×3×21＝3.86V。所以当转换电压大于3.86V以后，驱动进行保护。
SiC MOSFET短路过流故障有硬开关短路故障和和负载短路故障。硬开关短路故障是指SiC MOSFET IPM桥臂中的短路，是由驱动电路误操作或SiC MOSFET损坏引起的，负载短路故障是指SiC MOSFET IPM桥臂之间的短路，通常是负载短路或对地短路。本发明用DBC(direct bond coppe)底板内部集成分流器检测法分别来检测这两种故障，得到短路波形如图7(a)和图7(b)所示。从图中可以看出，本发明在短路检测中，没有检测盲区。在硬开关短路中，检测时间仅有300ns，总时间为500ns；在负载短路中，本发明故障检测时间仅有400ns，不需要进入短路状态，只需600ns就关断模块。
因此DBC(direct bond coppe)底板集成分流器检测法可以实现SiC MOSFET IPM纳秒级别无盲区快速检测和保护。

Claims (8)

1.一种SiC MOSFET IPM快速短路保护电路，其特征在于，包括由6个SiC MOSFET组成的三相桥式功率单元，三相桥式功率单元中的每个SiC MOSFET的源极以及每相交流输出端均串联有1个分流器，记为分流器RS1-RS9，每相交流输出端的3个分流器用以检测负载短路故障，每个SiC MOSFET的源极分流器用以检测硬开关短路故障。
2.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET IPM快速短路保护电路，其特征在于，所述三相桥式功率单元的输出端与输入端之间还依次设置有滤波补偿电路、放大电路、比较电路、隔离电路和驱动电路，当检测到短路故障时，采集电压迅速增大，经过滤波补偿电路和放大电路后与阈值电压进行比较，得到的驱动信号通过隔离电路传给驱动电路，使驱动电路关断故障支路所属的SiC MOSFET，快速保护SiC MOSFETIPM模块。
3.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFETIPM快速短路保护电路，其特征在于，所述分流器RS1-RS9均为0.333毫欧、9W的分流器。
4.根据权利要求2所述的一种SiC MOSFET IPM快速短路保护电路，其特征在于，所述滤波补偿电路具体结构为：包括补偿电阻Rcomp和补偿电容Ccomp串联后接地形成滤波补偿装置，补偿电阻Rcomp与补偿电容Ccomp非连接的一端与分流器的一端相连，补偿电容Ccomp与补偿电阻Rcomp非连接的一端连接到分流器的另一端，每一个分流器的两端均分别连接一个滤波补偿装置，补偿电阻Rcomp和补偿电容Ccomp连接处还与放大电路相连。
5.根据权利要求4所述的一种SiC MOSFETIPM快速短路保护电路，其特征在于，所述放大电路具体结构为：电阻R1的一端连接在滤波补偿电路的补偿电阻Rcomp和补偿电容Ccomp之间，另一端和电容C1串联后接地，电阻R2并联于电容C1两端，电阻R2同时与放大器的正极相连，放大器的负极与电阻R3相连后接地，放大器的负极同时与电阻R4连接后与放大器的输出端连接，放大器的输出端与电阻R5连接后接地，放大器的输出端又与比较电路的输入端相连。
6.根据权利要求2所述的一种SiC MOSFETIPM快速短路保护电路，其特征在于，所述比较电路具体结构为：比较器的正极与所述放大电路连接，比较器的负极与电阻R6连接后接地，比较器的负极同时还连接电阻R7后与正20V电压连接，比较器的输出端通过电阻R8连接到正5V的电压，比较器的输出端同时与隔离电路相连。
7.根据权利要求2所述的一种SiC MOSFETIPM快速短路保护电路，其特征在于，所述隔离电路具体结构为：发光二极管和三极管构成光耦隔离，其中，发光二极管正极与所述比较电路的输出相连，发光二极管的负极与电阻R9连接后接地，三极管的集电极通过电阻R10后连接到正5V的电压，三极管的发射极与所述驱动电路连接。
8.根据权利要求2所述的一种SiC MOSFETIPM快速短路保护电路，其特征在于，所述驱动电路具体结构为：PWM波脉冲输出通过反相器与NPN型三极管Q1相连后接地，PWM波脉冲输出同时还分别连接NPN型三极管Q2和PNP型三极管Q3，NPN型三极管Q2的集电极与正20V电压连接，NPN型三极管Q2的发射极与PNP型三极管Q3的发射极相连，PNP型三极管Q3的集电极连接与负5V电压连接，NPN型三极管Q2的发射极和PNP型三极管Q3的发射极之间通过电阻R12与SiC MOSFET的栅极连接，NPN型三极管Q1的基极与隔离电路中三极管的发射极相连。
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