CN112865767A - 一种提高SiC MOSFET器件短路故障响应速度的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高SiC MOSFET器件短路故障响应速度的电路，包括去饱和比较电路、驱动电路、第一电流通道、第二电流通道和箝位电路。本发明通过增设去饱和充电回路，来提高去饱和检测电容的充电速度；当发生短路时，此时箝位电路的电压升高，由于在第一电流通道的基础上增加了第二电流通道，去饱和电容电压升高速度更快，实现故障开关管的快速关断，从而快速抑制开关管短路电流，降低了短路故障对器件的损害。

Description

一种提高SiC MOSFET器件短路故障响应速度的电路
技术领域
本发明涉及SiC MOSFET器件短路保护电路，尤其涉及一种提高SiC MOSFET器件短路故障响应速度的电路。
背景技术
在实际电力电子电路中，由于各种原因往往不可避免的会发生短路故障。短路状态下，电流不再受到限制，会导致电源开关器件发生灾难性故障。基于热容量考虑，SiCMOSFET(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金属-氧化物半导体场效应晶体管)具有有限的的电流承受能力，过大的短路电流(远高于额定水平)会导致裸片中产生大量的热耗散，从而导致过热和损坏。
现有的短路保护方法之一是采用去饱和电路，通过比较去饱和电容电压和预设电压来检测短路故障，但是只有第一电流通路中的电流源为去饱和电容充电。在短路情况下，去饱和电容电压上升速率比较缓慢，因此用这种方法检测短路故障需要较长的时间，存在不能及时关断功率器件的缺点，实际应用价值受限。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种提高短路故障响应速度的SiC MOSFET短路保护电路。
技术方案：本发明的电路，包括去饱和比较电路、驱动电路、第一电流通道、第二电流通道和箝位电路；所述去饱和比较电路通过箝位电路与SiC MOSFET的漏极相连；所述驱动电路与SiC MOSFET的栅极连接；所述去饱和比较电路和驱动电路分别与控制逻辑***连接；所述第一电流通道和第二电流通道均连接有电容；所述的第二电流通道与所述驱动电路连接；所述箝位电路与所述驱动电路之间连接有二极管和电阻；当去饱和电容电压高于预设去饱和阈值电压时，去饱和比较电路向驱动电路输出关断信号、向控制逻辑***反馈故障信号。
去饱和比较电路包括：第一比较器、第一与门、预设电压源；所述第一比较器的负输入端与预设电压源正极相连，预设电压源负极接地，第一比较器的正输入端与第一电流通路中的电流源、电容中点相连，第一比较器的输出端与逻辑处理电路、第一与门的第一输入端相连。
驱动电路包括第一非门、第二与门、第一开关管、第二开关管、驱动正电源、驱动负电源和第一电阻；所述第一开关管的集电极接驱动正电源，基极与第二开关管的基极、第二与门的输出端相连；第一开关管的发射极与第二开关管的发射极、第一电阻一端、第二电流通路第二电阻一端相连；所述第二开关管的集电极与驱动负电源相连；所述第一非门的输入端与去饱和比较电路中的第一与门输出端相连、输出端与第二与门的第一输入端相连；所述第二与门的第二输入端与去饱和比较电路的第一与门输入端、逻辑处理电路相连；所述第一电阻与SiC MOSFET的栅极连接。
第一电流通路包括第一电流源和电容；所述第一电流源一端与正电源相连，一端与去饱和比较电路中第一比较器的同相输入端、电容一端相连；电容另一端与地相连。
第二电流通路包括第一二极管和第二电阻；所述第一二极管的阴极与第一电流通路的电流源、电容中点、箝位电路的第三电阻一端相连；所述第一二极管的阳极与第二电阻一端相连；所述第二电阻另一端与驱动电路的第一电阻左端、推挽电路中点相连。第一二极管采用选取导通压降小、反向恢复时间短的二极管。
箝位电路包括第三电阻和第二二极管；所述第三电阻的一端与第一电流通路的电流源、电容中点、第二电流通路的第一二极管阴极相连；第二二极管的阳极与第三电阻的另一端相连、阴极与SiC MOSFET的漏极相连。
本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、在短路故障出现时，通过比较去饱和电容电压和预设去饱和阈值电压，作为功率管短路判断依据，比较电路判断出故障后迅速关断功率管，抑制短路故障，同时也将故障信号反馈给控制逻辑部分；2、通过在原有去饱和保护电路上增设电流充电通路，提高SiC MOSFET检测到短路后的响应速度，避免电路过于复杂且成本较高的情况；3、在功率管正常开通期间，去饱和电容电压未达到检测阈值，此时短路故障时不动作，维持原输出电平不变化；4、能够有效提高电路可靠性，延长器件使用寿命。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明中SiC MOSFET发生短路时，漏源电压的波形图；
图3为本发明的去饱和保护检测端与预设电压值的比较图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
本发明的保护电路包括去饱和比较电路、驱动电路、第一电流通道、第二电流通道和箝位电路，如图1所示。
去饱和比较电路包括：第一比较器UCMP1、第一与门UAND1、预设电压源Uref。第一比较器UCMP1的负输入端与预设电压源Uref正极相连，预设电压源Uref负极与地GND相连，第一比较器UCMP1的正输入端与第一电流通路中的电流源ISOURCE、去饱和电容CBLK中点相连，第一比较器UCMP1的输出端与逻辑处理电路、第一与门UAND1的第一输入端相连。
驱动电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、驱动正电源VDD、驱动负电源VEE和第一电阻RG。第一开关管Q1的集电极接驱动正电源，第一开关管Q1的基极与第二开关管Q2的基极、第二与门UAND2的输出端相连，第一开关管Q1的发射极与第二开关管Q2的发射极、第一电阻RG一端、第二电流通路第二电阻RCHG一端相连，第二开关管Q2的集电极与驱动负电源VEE相连，第一非门UINV1的输入端与去饱和比较电路中的第一与门UAND1输出端相连，第一非门UINV1的输出端与第二与门UAND2的第一输入端相连，第二与门UAND2的第二输入端与去饱和比较电路的第一与门UAND1输入端、逻辑处理电路相连；第一电阻RG与SiC MOSFET的栅极连接。
第一电流通路包括：第一电流源ISOURCE，电容CBLK。第一电流源ISOURCE一端与正电源VDD相连，一端与去饱和比较电路中第一比较器UCMP1的同相输入端、电容CBLK一端相连。电容CBLK另一端与地相连。
第二电流通路包括：第一二极管DCHG、第二电阻RCHG。其中，第一二极管DCHG的阴极与第一电流通路的电流源ISOURCE与电容CBLK中点、箝位电路的第三电阻RBLK一端相连，第一二极管DCHG的阳极与第二电阻RCHG一端相连，第二电阻RCHG另一端与驱动电路的第一电阻RG左端、推挽电路中点相连。第一二极管可以采用肖特基二极管类型。
箝位电路包括：第三电阻RBLK、第二二极管DHV。第三电阻RBLK的一端与第二电流通路的电流源ISOURCE与电容CBLK中点、第二电流通路的第一二极管DCHG阴极相连，第二电阻RCHG的一端与第二二极管DHV的阳极相连，第二二极管DHV的阴极与SiC MOSFET的漏极相连。
去饱和比较电路，用于对去饱和电容电压和预设去饱和阈值电压进行比较，判断短路与否。当去饱和电容电压高于预设去饱和阈值电压时，向驱动电路输出关断信号，并将故障信号反馈给控制逻辑部分。
驱动电路，正常情况下用于增强输入PWM信号的电流能力，短路故障情况下用于输出低电平，快速关断SiC MOSFET。
第一电流通道和第二电流通道均连接有电容CBLK，电容CBLK为去饱和电容；第一电流通道是由电流源对去饱和电容充电，直至箝位电路的箝位电压处停止充电。当发生短路故障时，箝位电路的箝位电压升高，去饱和电容上的电压也随之升高，但去饱和电容上的电压升高速度取决于充电电流的大小。
第二电流通道是由从栅极输出电路上对去饱和电容充电。当驱动电路输出高电平时，去饱和保护电路使能，此时去饱和电容的充电速度将会影响短路故障保护的响应时间。
驱动电路中驱动正电源和驱动负电源用于SiC MOSFET的正常驱动，驱动负电源同时也用于在发生短路时加快开关器件的关断速度。驱动正电源和驱动负电源均为隔离电容极小的隔离电源，以保证在短路故障时出现的瞬时高压不会耦合到驱动电路供电端导致电路无法正常工作。
工作原理如下：
SiC MOSFET短路故障时时，由截止区进入饱和区，漏源电压VDS的波形变化如图2。SiC MOSFET的开关速度更快，SiC MOSFET比IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)更快地达到最大功率耗散点。IGBT的去饱和电压通常为7V～10V，而SiCMOSFET的去饱和电压没有明确定义的范围。因此，为IGBT选择去饱和电压较为简单，但这对于SiC MOSFET而言非常困难。
现有的应用于Si IGBT的去饱和保护电路仅有第一电流通道，电流源对去饱和电容充电，直至箝位电路的箝位电压处停止充电。当发生短路故障时，箝位电路的箝位电压升高，去饱和电容上的电压也随之升高，但去饱和电容上的电压升高速度取决于充电电流的大小。
本发明增加了第二电流通道，是指从栅极输出电路上对去饱和电容充电，提高去饱和电容的充电速度，进而提高短路故障保护的响应时间。
短路电流抑制工作过程如下：
如图3所示，当SiC MOSFET发生短路故障时，导通电阻上通过电流，漏源电压会持续升高。箝位电路中的二极管选用高压快恢复二极管，导通压降约为1.2V，箝位电路二极管阳极的电压将比漏源电压高1.2V左右。随着漏源电压的升高，箝位电路的箝位电压也将不断升高，去饱和电容上充电的截止电压也会不断升高。此时在原有第一电流通路的情况下，增设栅极上的第二电流通路，加快去饱和电容上的充电速度，使去饱和电容的电压尽快达到预设电压值。比较电路对去饱和电容电压和预设去饱和阈值电压进行比较，判断短路与否。当去饱和电容电压高于预设去饱和阈值电压时，判断出发生短路，从而使驱动电路输出低电平，加速SiC MOSFET的关断，从而抑制短路故障，同时将故障信号反馈给控制逻辑部分。
在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (7)

1.一种提高SiC MOSFET器件短路故障响应速度的电路，其特征在于：包括去饱和比较电路、驱动电路、第一电流通道、第二电流通道和箝位电路；
所述去饱和比较电路通过箝位电路与SiC MOSFET的漏极相连；所述驱动电路与SiCMOSFET的栅极连接；所述去饱和比较电路和驱动电路分别与控制逻辑***连接；所述第一电流通道和第二电流通道均连接有电容；所述的第二电流通道与所述驱动电路连接；所述箝位电路与所述驱动电路之间连接有二极管和电阻；
所述去饱和比较电路能向驱动电路输出关断信号、向控制逻辑***反馈故障信号。
2.根据权利要求1所述的提高SiC MOSFET器件短路故障响应速度的电路，其特征在于，所述去饱和比较电路包括：第一比较器、第一与门、预设电压源；所述第一比较器的负输入端与预设电压源正极相连，预设电压源负极接地，第一比较器的正输入端与第一电流通路中的电流源、电容中点相连，第一比较器的输出端与逻辑处理电路、第一与门的第一输入端相连。
3.根据权利要求1所述的提高SiC MOSFET器件短路故障响应速度的电路，其特征在于，所述驱动电路包括第一非门、第二与门、第一开关管、第二开关管、驱动正电源、驱动负电源和第一电阻；所述第一开关管的集电极接驱动正电源，基极与第二开关管的基极、第二与门的输出端相连；第一开关管的发射极与第二开关管的发射极、第一电阻一端、第二电流通路第二电阻一端相连；所述第二开关管的集电极与驱动负电源相连；所述第一非门的输入端与去饱和比较电路中的第一与门输出端相连、输出端与第二与门的第一输入端相连；所述第二与门的第二输入端与去饱和比较电路的第一与门输入端、逻辑处理电路相连；所述第一电阻与SiC MOSFET的栅极连接。
4.根据权利要求1所述的提高SiC MOSFET器件短路故障响应速度的电路，其特征在于，所述第一电流通路包括第一电流源和电容；所述第一电流源一端与正电源相连，一端与去饱和比较电路中第一比较器的同相输入端、电容一端相连；电容另一端与地相连。
5.根据权利要求1所述的提高SiC MOSFET器件短路故障响应速度的电路，其特征在于，所述第二电流通路包括第一二极管和第二电阻；所述第一二极管的阴极与第一电流通路的电流源、电容中点、箝位电路的第三电阻一端相连；所述第一二极管的阳极与第二电阻一端相连；所述第二电阻另一端与驱动电路的第一电阻左端、推挽电路中点相连。
6.根据权利要求5所述的提高SiC MOSFET器件短路故障响应速度的电路，其特征在于，所述第一二极管采用选取导通压降小、反向恢复时间短的二极管。
7.根据权利要求1所述的提高SiC MOSFET器件短路故障响应速度的电路，其特征在于，所述箝位电路包括第三电阻和第二二极管；所述第三电阻的一端与第一电流通路的电流源、电容中点、第二电流通路的第一二极管阴极相连；第二二极管的阳极与第三电阻的另一端相连、阴极与SiC MOSFET的漏极相连。
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