CN112946447B - 基于漏源导通电压积分的SiC MOSFET短路检测电路 - Google Patents

基于漏源导通电压积分的SiC MOSFET短路检测电路 Download PDF

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Abstract

本申请提出一种基于漏源导通电压积分的SiC MOSFET短路检测电路，涉及电力电子技术领域，包括：电压互感器(PT)一次侧并联在电力电子电路中的SiC MOSFET的漏极和源极；积分电阻(R)一端与电压互感器(PT)二次侧一端连接，积分电阻(R)另一端、积分电容(C)一端、开关管(S1)一端与运算放大器的反相输入端连接；电压互感器(PT)的二次侧的另一端和运算放大器同相输入端接地，积分电容(C)另一端、开关管(S1)另一端与运算放大器的输出端连接，运算放大器的输出端与比较器的反相输入端连接，比较器的同相输入端与参考电压连接。由此，可以快速检测SiC MOSFET短路情况并输出短路信号，且母线电压越大时短路保护动作越迅速，能够提高电力电子***的可靠性。

Description

基于漏源导通电压积分的SiC MOSFET短路检测电路
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于漏源导通电压积分的SiCMOSFET(碳化硅半导体场效应晶体管)短路检测电路。
背景技术
SiC MOSFET在高温、高频、高压和大功率等方面具有巨大的应用潜力，而短路能力是SiC MOSFET的关键问题之一，在相同的耐压条件下，SiC MOSFET比传统的Si MOSFET和SiIGBT具有更短的短路耐受时间。
研究结果表明，SiC MOSFET的短路耐受时间随着直流母线电压和栅极驱动电压的增加而减少，尤其是当直流母线电压很高时，短路产生的巨大的功率损耗使SiC MOSFET的结温快速上升，导致不可恢复的损伤和热衰减。以英飞凌公司的SiC MOSFET为例，短路耐受时间随栅极电压和直流母线电压变化的曲线如图1所示，在Vgs＝15V，Vdc＝600V的情况下的短路耐受时间为3us，栅极电压和直流母线电压更高时SiC MOSFET的短路耐受时间更短。
短路保护是驱动电路关键的功能，目前，SiC MOSFET的短路保护大多直接借用IGBT的短路保护方式，现有的SiC MOSFET的短路检测方案主要包括：
1)退饱和检测，退饱和检测需要设置消隐时间，典型的开通振荡时间约为1μs，过早的退饱和检测会引起误关断，而过晚的退饱和检测导致设备损坏的可能性更高，且SiCMOSFET的导通电压比IGBT更依赖于温度，这使得设计去饱和参考电压非常困难。
2)电感/电阻电流检测，在源极串联一个采样电阻或小电感，以检测漏极电流。虽然这种方法是准确和快速的，但它增加了额外的功率损耗，并且只适用于分立元件的短路保护。
3)栅极电压检测，根据SiC MOSFET的栅极电荷特性，通过检测栅源电压和栅极电荷可以检测硬开关故障，但不能检测负载故障，且当母线直流电压较低时，也会降低检测精度。
由于SiC MOSFET的低短路能力，亟需一种反应速度快的短路检测电路。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的第一个目的在于提出一种基于漏源导通电压积分的SiC MOSFET短路检测电路，该短路检测电路的反应速度快，且在直流母线电压越大时，短路保护动作越迅速，提高了电力电子***的可靠性。
为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种基于漏源导通电压积分的SiCMOSFET短路检测电路，包括：
电压互感器(PT)的一次侧并联在电力电子电路中的SiC MOSFET的漏极和源极；
积分电阻(R)一端与所述电压互感器(PT)的二次侧一端连接，所述积分电阻(R)另一端、积分电容(C)一端、开关管(S1)一端与运算放大器的反相输入端连接；
所述电压互感器(PT)的二次侧的另一端和所述运算放大器的同相输入端接地，所述积分电容(C)另一端、所述开关管(S1)另一端与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的输出端与比较器的反相输入端连接，所述比较器的同相输入端与参考电压连接。
本申请实施例的基于漏源导通电压积分的SiC MOSFET短路检测电路，通过电压互感器(PT)一次侧并联在电力电子电路中的SiC MOSFET的漏极和源极；积分电阻(R)一端与电压互感器(PT)二次侧一端连接，积分电阻(R)另一端、积分电容(C)一端、开关管(S1)一端与运算放大器的反相输入端连接；电压互感器(PT)的二次侧的另一端和运算放大器同相输入端接地，积分电容(C)另一端、开关管(S1)另一端与运算放大器的输出端连接，运算放大器的输出端与比较器的反相输入端连接，比较器的同相输入端与参考电压连接。由此，可以快速检测SiC MOSFET短路情况并输出短路信号，且母线电压越大时短路保护动作越迅速，能够提高电力电子***的可靠性。
在本申请的一个实施例中，检测所述SiC MOSFET的漏源电压；在所述SiC MOSFET导通时对所述漏源电压进行积分，获取电压积分值；若所述电压积分值大于所述参考电压，则判定所述SiC MOSFET发生短路。
在本申请的一个实施例中，通过所述电压互感器(PT)检测所述SiC MOSFET的漏源电压；其中，所述电压互感器(PT)的二次侧的电压为
Figure BDA0002896780570000021
其中，N1和N2分别为电压互感器的一次绕组和二次绕组的匝数，uDS为SiC MOSFET的漏源电压。
在本申请的一个实施例中，通过反相积分电路对所述漏源电压进行积分，获取电压积分值；其中，所述反相积分电路包括所述运算放大器，所述积分电阻(R)和所述积分电容(C)，所述反相积分电路的输出电压为
Figure BDA0002896780570000022
其中，N1和N2分别为电压互感器的一次绕组和二次绕组的匝数，uDS为SiC MOSFET的漏源电压。
在本申请的一个实施例中，所述比较器将所述反相积分电路的输出电压与所述参考电压进行比较，输出短路保护信号。
在本申请的一个实施例中，所述SiC MOSFET短路检测电路，还包括：在所述积分电容(C)两端并联所述开关管(S1)，所述开关管(S1)的驱动信号与所述SiC MOSFET的驱动信号反相；控制所述开关管(S1)在所述SiC MOSFET开通的时候关断，所述积分电容(C)进行充电；控制所述开关管(S1)在所述SiC MOSFET关断的时候导通，所述积分电容(C)进行放电。
在本申请的一个实施例中，所述SiC MOSFET短路检测电路，还包括：将所述短路保护信号进行锁存，并将所述短路保护信号作为关断电路的驱动信号。
在本申请的一个实施例中，所述SiC MOSFET短路检测电路，还包括：将所述短路保护信号控制所述SiC MOSFET的驱动芯片的使能输入端，控制关断所述SiC MOSFET。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例的英飞凌公司的SiC MOSFET的短路耐受时间随栅极电压和直流母线电压变化的曲线图；
图2为本申请实施例一所提供的一种基于漏源导通电压积分的SiC MOSFET短路检测电路的结构示意图；
图3为本申请实施例的SiC MOSFET在硬开关故障下的短路电压电流波形图；
图4为本申请实施例所提供的短路检测电路和传统的退饱和检测电路在硬开关故障下的仿真输出波形对比图；
图5为本申请实施例所提供的短路检测电路和传统的退饱和检测电路在负载故障下的仿真输出波形对比图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考附图描述本申请实施例的药品评审结果的预测方法、装置、电子设备和存储介质。
图2为本申请实施例一所提供的一种基于漏源导通电压积分的SiC MOSFET短路检测电路的结构示意图。
如图2所示，该基于漏源导通电压积分的SiC MOSFET短路检测电路的结构包括：电压互感器(PT)，运算放大器，积分电阻(R)，积分电容(C)，开关管(S1)和比较器。
电压互感器(PT)的一次侧并联在电力电子电路中的SiC MOSFET的漏极和源极；积分电阻(R)一端与所述电压互感器(PT)的二次侧一端连接，积分电阻(R)另一端、积分电容(C)一端、开关管(S1)一端与运算放大器的反相输入端连接；电压互感器(PT)的二次侧的另一端和运算放大器的同相输入端接地，积分电容(C)另一端、开关管(S1)另一端与运算放大器的输出端连接，运算放大器的输出端与比较器的反相输入端连接，比较器的同相输入端与参考电压连接。
在本申请的一个实施例中，检测所述SiC MOSFET的漏源电压；在SiC MOSFET导通时对所述漏源电压进行积分，获取电压积分值；若所述电压积分值大于所述参考电压，则判定所述SiC MOSFET发生短路。
在本申请的一个实施例中，通过电压互感器(PT)检测SiC MOSFET导通时的漏源电压；其中，电压互感器(PT)的二次侧的电压为
Figure BDA0002896780570000041
其中，N1和N2分别为电压互感器的一次绕组和二次绕组的匝数，uDS为SiC MOSFET的漏源电压。
在本申请的一个实施例中，通过反相积分电路对漏源电压进行积分，获取电压积分值；其中，反相积分电路包括运算放大器，积分电阻(R)和积分电容(C)，反相积分电路的输出电压为
Figure BDA0002896780570000042
其中，N1和N2分别为电压互感器的一次绕组和二次绕组的匝数，uDS为SiC MOSFET的漏源电压。
在本申请的一个实施例中，比较器将反相积分电路的输出电压与参考电压进行比较，输出短路保护信号。
在本申请的一个实施例中，SiC MOSFET短路检测电路，还包括：在积分电容(C)两端并联开关管(S1)，开关管(S1)的驱动信号与SiC MOSFET的驱动信号反相；控制开关管(S1)在SiC MOSFET开通的时候关断，积分电容(C)进行充电；控制开关管(S1)在SiC MOSFET关断的时候导通，积分电容(C)进行放电。
在本申请的一个实施例中，SiC MOSFET短路检测电路，还包括：将短路保护信号进行锁存，并将短路保护信号作为关断电路的驱动信号。
在本申请的一个实施例中，SiC MOSFET短路检测电路，还包括：将短路保护信号控制SiC MOSFET的驱动芯片的使能输入端，控制关断SiC MOSFET。
具体地，结合图3进行举例说明，图3是SiC MOSFET在硬开关故障下的短路电压电流波形图，如图3所示，可以看出Vds在短路时几乎接近直流母线电压，而在正常运行条件下，SiC MOSFET的导通电压Vds(on)只有几伏，因此Vds(on)对时间的积分可以作为短路保护的信号，也就是图1中阴影部分的面积。当积分值超过参考值时，输出短路信号，且直流母线电压越高，Vds(on)的积分值越快到达参考值。
下面结合一个具体实施例对本发明实施例的短路检测电路进行仿真验证。
为了验证所提出的短路检测电路的有效性，根据下面表1中的仿真参数搭建了短路检测电路进行仿真。
表1
Figure BDA0002896780570000051
将所提出的短路检测电路和传统的退饱和检测电路在硬开关故障和负载故障下的仿真输出波形进行对比，对比结果分别如图4和图5所示，可以看出，这两种短路故障条件下，直流母线电压分别为200V，400V，600V，800V时，所提出的短路检测电路比传统的退饱和检测电路的检测延迟时间更短，且直流母线电压越高，所提出的短路检测电路的输出短路信号需要的时间越短。直流母线电压为800V时，硬开关故障和负载故障条件下的短路检测耗时分别为187ns和156ns。因此，本发明实施例的SiC MOSFET短路检测电路的反应速度快，且短路保护动作需要的时间随着母线电压的增大而减小。
由此，针对SiC MOSFET的短路耐受时间随着直流母线电压的增加而减少的短路特性，根据本发明实施例的短路检测电路，通过检测SiC MOSFET导通时的漏源电压Vds(on)，将SiC MOSFET的导通电压Vds(on)对时间的积分作为短路保护的信号，即当积分值超过参考值时输出短路信号，从而使得直流母线电压越高的情况下，短路保护动作越迅速。此外，由于短路保护信号为SiC MOSFET的导通电压Vds(on)的积分量，SiC MOSFET在正常工况下产生的开通电压的积分值比短路时的积分值要小的多，因此短路检测电路发出错误短路信号的概率很小。
本申请实施例的基于漏源导通电压积分的SiC MOSFET短路检测电路，通过电压互感器(PT)一次侧并联在电力电子电路中的SiC MOSFET的漏极和源极；积分电阻(R)一端与电压互感器(PT)二次侧一端连接，积分电阻(R)另一端、积分电容(C)一端、开关管(S1)一端与运算放大器的反相输入端连接；电压互感器(PT)的二次侧的另一端和运算放大器同相输入端接地，积分电容(C)另一端、开关管(S1)另一端与运算放大器的输出端连接，运算放大器的输出端与比较器的反相输入端连接，比较器的同相输入端与参考电压连接。由此，可以快速检测SiC MOSFET短路情况并输出短路信号，且母线电压越大时短路保护动作越迅速，能够提高电力电子***的可靠性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于漏源导通电压积分的SiC MOSFET短路检测电路，其特征在于，包括：
电压互感器的一次侧并联在电力电子电路中的SiC MOSFET的漏极和源极；
积分电阻一端与所述电压互感器的二次侧一端连接，所述积分电阻另一端、积分电容一端、开关管一端与运算放大器的反相输入端连接；
所述电压互感器的二次侧的另一端和所述运算放大器的同相输入端接地，所述积分电容另一端、所述开关管另一端与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的输出端与比较器的反相输入端连接，所述比较器的同相输入端与参考电压连接，其中，所述SiCMOSFET短路检测电路，还包括：在所述积分电容两端并联所述开关管，所述开关管的驱动信号与所述SiC MOSFET的驱动信号反相；控制所述开关管在所述SiC MOSFET开通的时候关断，所述积分电容进行充电；控制所述开关管在所述SiC MOSFET关断的时候导通，所述积分电容进行放电。
2.如权利要求1所述SiC MOSFET短路检测电路，其特征在于，包括：
检测所述SiC MOSFET的漏源电压；
在所述SiC MOSFET导通时对所述漏源电压进行积分，获取电压积分值；
若所述电压积分值大于所述参考电压，则判定所述SiC MOSFET发生短路。
3.如权利要求2所述SiC MOSFET短路检测电路，其特征在于，
通过所述电压互感器检测所述SiC MOSFET的漏源电压；其中，所述电压互感器的输入电压和输出电压比例为
Figure FDA0003429463290000011
其中，N1和N2分别为电压互感器的一次绕组和二次绕组的匝数，uDS为所述SiC MOSFET的漏源电压。
4.如权利要求2所述SiC MOSFET短路检测电路，其特征在于，
通过反相积分电路对所述漏源电压进行积分，获取所述电压积分值；
其中，所述反相积分电路包括所述运算放大器，所述积分电阻和所述积分电容，所述反相积分电路的输出电压为
Figure FDA0003429463290000012
其中，N1和N2分别为电压互感器的一次绕组和二次绕组的匝数，uDS为所述SiC MOSFET的漏源电压。
5.如权利要求4所述SiC MOSFET短路检测电路，其特征在于，还包括：
所述比较器将所述反相积分电路的输出电压与所述参考电压进行比较，输出短路保护信号。
6.如权利要求5所述SiC MOSFET短路检测电路，其特征在于，还包括：
将所述短路保护信号进行锁存，并将所述短路保护信号作为关断电路的驱动信号。
7.如权利要求6所述SiC MOSFET短路检测电路，其特征在于，还包括：
将所述短路保护信号控制所述SiC MOSFET的驱动芯片的使能输入端，控制关断所述SiC MOSFET。
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