CN112946517B - 一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路及检测方法 - Google Patents

一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路及检测方法，检测电路包括门极电压变化率检测单元、门极电荷检测单元、漏极电压检测单元、逻辑控制单元。检测方法将逻辑控制单元检测SiC MOSFET是否发生短路故障分为开通暂态、开通稳态2个阶段；在开通暂态阶段，基于门极电压变化率检测单元和门极电荷检测单元识别米勒平台，并复用漏极电压检测单元实现硬开关短路故障HSF检测；在开通稳态阶段，基于漏极电压检测单元实现退饱和检测短路故障。本发明双重化的米勒平台识别方式，加之更宽的Qref取值范围提高了HSF短路故障检测可靠性，同时避免了因躲避时间t blank设置导致退饱和检测动作不及时问题，提高了检测短路故障的快速性。

Description

一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路及检测方法
技术领域
本发明涉及一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路及检测方法，属于SiC MOSFET短路故障检测领域。
背景技术
相比传统Si基IGBT，SiC MOSFET具有宽禁带、耐高温、低开关损耗等特点，因此，SiC MOSFET在高频、高温、高功率密度的大功率场合具有广泛应用前景，针对大功率SiCMOSFET的短路保护技术也成为SiC MOSFET应用的研究热点。
SiC MOSFET更大的短路电流，更小的芯片尺寸，导致其短路耐受时间更短，对短路保护的快速性提出了更高要求。目前，SiC MOSFET的短路检测方式大多借用IGBT，其中包括退饱和检测，门极电荷检测。需要说明的是，退饱和现象通常是根据IGBT的传输特性来定义的，而对于MOSFET来说，饱和区、线性区与IGBT正好相反，即该现象在MOSFET表现为退出电流线性区，进入电流饱和区，为了便于描述，本发明都用“退饱和”来说明该现象。
为了避免SiC MOSFET在正常开通暂态过程中，退饱和检测误动作，必须设置开通暂态躲避时间tblank。若在开通暂态发生HSF短路故障，由于躲避时间tblank的存在退饱和检测动作不及时，危害功率器件。
传统的门极电荷检测原理如图1所示，正常开通暂态，门极电压存在Vmiller1至Vmiller2的米勒平台，若在开通暂态发生硬开关短路故障HSF，由于漏源电压Vds仍很大，米勒电容Cgd基本不变，导致门极电压Vgs米勒平台消失，开通暂态门极电荷Qg比正常开通要小。此外，如图2所示，若在死区阶段电流通过SiC MOSFET体二极管续流，死区结束后，在二极管导通状态下零电压ZVS开通SiC MOSFET，此时Vds几乎不变，门极电压Vgs也不存在米勒平台；但ZVS开通漏极电压Vds接近于零电压，而HSF故障下Vds接近于母线电压，导致ZVS开通时的输入电容Ciss更大，因此ZVS开通暂态的门极电荷Qg比HSF故障要大。传统的门极电荷检测方法通过对驱动电流积分检测Vgs从开通t0时刻到设定值Vref的门极电荷Qg，当Qg小于电荷参考值Qref时，检测开通暂态发生HSF短路故障。
传统门极电荷检测方法依靠检测门极电荷Qg来识别米勒平台，进而检测HSF短路故障，然而传统门极电荷检测方法在区分ZVS开通与HSF短路故障时，参考电荷Qref理论取值范围被限制在Qg,HSF至Qg,ZVS之间，加之Qg检测电路的积分环节受运放失调电压、失调电流、温漂及驱动电流振荡的影响将引入积分误差，较窄的Qref取值范围和积分误差容易导致保护误动作；同时传统门极电荷检测方法在区分ZVS开通与HSF短路故障时，受输入电容Ciss影响较大，当SiC MOSFET栅源极外置电容Cgs,ext变化引起Ciss变化时，也可能使保护误动作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路及检测方法，克服了现有退饱和检测及门极电荷检测存在的缺点。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路，包括门极电压变化率检测单元、门极电荷检测单元、漏极电压检测单元、逻辑控制单元；门极电压变化率检测单元的一端、门极电荷检测单元的一端分别连接SiC MOSFET的门极，漏极电压检测单元的一端连接SiC MOSFET的漏极，门极电压变化率检测单元、门极电荷检测单元、漏极电压检测单元的另一端均连接逻辑控制单元；
所述逻辑控制单元用于接收所述门极电压变化率检测单元、门极电荷检测单元、漏极电压检测单元的反馈信号，并判定SiC MOSFET是否发生短路故障，在判定发生短路故障时输出故障信号；所述逻辑控制单元判定SiC MOSFET是否发生短路故障分为开通暂态、开通稳态2个阶段：在开通暂态阶段，基于门极电压变化率检测单元和门极电荷检测单元识别米勒平台，并复用漏极电压检测单元实现硬开关短路故障HSF检测；在开通稳态阶段，基于漏极电压检测单元实现退饱和检测短路故障。
作为本发明电路的一种优选方案，所述门极电压变化率检测单元包括第一比较器、第二比较器，第一、第二比较器的同相端均连接SiC MOSFET的门极，第一比较器的反相端连接第一参考设定值Vlow，第二比较器的反相端连接第二参考设定值Vhigh，第一比较器的输出信号FBVgs，low、第二比较器的输出信号FBVgs，high均反馈至逻辑控制单元。
作为本发明电路的一种优选方案，所述门极电荷检测单元包括采样电阻Rg,shunt、差分放大电路、积分电路、第三比较器、积分复位电路，SiC MOSFET的门极经采样电阻Rg,shunt与差分放大电路的输入端连接，差分放大电路的输出端与积分电路的输入端连接，积分电路的输出端连接第三比较器的同相端，第三比较器的反相端连接电荷参考值Qref，第三比较器的输出信号FBQg反馈至逻辑控制单元；积分复位电路的输入端连接逻辑控制单元，积分复位电路的输出端连接积分电路。
作为本发明电路的一种优选方案，所述漏极电压检测单元包括阻容分压电路、钳位电路、第四比较器、复位电路，阻容分压电路经钳位电路与第四比较器的同相端连接，第四比较器的反相端连接比较器参考值Vdesat，第四比较器的输出信号FBVds反馈至逻辑控制单元，复位电路的输入端连接逻辑控制单元，输出端与第四比较器的同相端连接。
一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测方法，基于上述快速的大功率SiCMOSFET短路故障检测电路实现，所述逻辑控制单元检测SiC MOSFET是否发生短路故障分为开通暂态和开通稳态2个阶段；
在开通暂态阶段，逻辑控制单元判断SiC MOSFET是否发生短路故障具体过程如下：
(1)逻辑控制单元接收门极电压变化率dVgs/dt检测单元反馈信号，并计算出Vgs从设定值Vlow上升到Vhigh的时间间隔Δt；
(2)门极电荷Qg检测单元实时检测Vgs从开通t0时刻至躲避时间tblank的门极电荷Qg，逻辑控制单元接收门极电荷Qg检测单元反馈信号；
(3)若Δt小于时间参考值Δtref；且Vgs到达Vhigh时的Qg小于电荷参考值Qg,ref，持续时间大于tQg,filter；则开通暂态期间，逻辑控制单元未识别到米勒平台；
(4)漏极电压Vds检测单元实时检测漏极电压，若从开通t0时刻起，Vds大于漏源电压参考值Vds,ref，且持续时间大于tZVS，filter，则逻辑控制单元判定开通暂态为非零电压ZVS开通；
(5)在躲避时间tblank内，若逻辑控制单元未识别到米勒平台，且判定开通暂态为非ZVS开通，则逻辑控制单元判定在开通暂态阶段SiC MOSFET发生短路故障，并输出故障反馈信号；
在开通稳态阶段，逻辑控制单元接收漏极电压Vds检测单元反馈信号，实现退饱和检测短路故障。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明通过检测SiC MOSFET开通暂态阶段门极电压变化率dVgs/dt与门极电荷Qg的双重检验方式识别米勒平台；同时复用退饱和检测的漏极电压Vds检测单元，而非门极电荷Qg来区分ZVS开通与HSF短路故障，参考电荷Qref理论取值范围扩大至Qg,HSF与Qg,NOR之间，且减小了外置栅源电容Cgs,ext影响。双重化的米勒平台识别方式，加之更宽的Qref取值范围提高了HSF短路故障检测可靠性。此外，本发明在开通暂态与开通稳态采用不同的短路故障检测方式，避免了躲避时间tblank内退饱和检测动作不及时问题。因此，在整个SiC MOSFET开通期间，提高了检测短路故障的快速性。
附图说明
图1是传统的门极电荷检测原理示意图。
图2是死区阶段体二极管续流示意图。
图3是本发明提供的一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路结构框图。
图4是本发明提供的一种门极电压变化率检测单元电路结构示意图。
图5是本发明提供的一种门极电压变化率dVgs/dt检测原理图。
图6是本发明提供的一种门极电荷检测单元电路结构示意图。
图7是本发明提供的一种门极电荷Qg检测原理图。
图8是本发明提供的一种漏极电压检测单元电路结构示意图。
图9是本发明提供的一种漏极电压Vds检测原理图。
图10是本发明提供的一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测方法流程图。
其中，001为门极电压变化率检测单元；002为门极电荷检测单元；003为漏极电压检测单元；004为逻辑控制单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图3为本发明提供的一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路原理框图，包括门极电压变化率检测单元001、门极电荷检测单元002、漏极电压检测单元003、逻辑控制单元004。逻辑控制单元接收PWM驱动信号，并输出至门极驱动器实现SiC MOSFET的驱动控制；同时逻辑控制单元接收dVgs/dt检测单元、Qg检测单元、Vds检测单元反馈信号，并判断SiC MOSFET是否发生短路故障，输出故障信号；此外，逻辑控制单元还需下发控制信号至Qg检测单元和Vds检测单元，用来复位Qg检测单元的积分电路及Vds检测单元的阻容分压电路。
逻辑控制单元接收门极电压变化率dVgs/dt检测单元反馈信号，并计算出门极电压Vgs从设定值Vlow上升到Vhigh的时间间隔Δt，来表征门极电压变化率dVgs/dt。
门极电荷Qg检测单元用于实时检测门极电压Vgs从开通t0时刻至躲避时间tblank的门极电荷Qg。
逻辑控制单元基于门极电压变化率dVgs/dt检测单元和门极电荷Qg检测单元识别米勒平台。
漏极电压Vds检测单元在开通暂态用于识别零电压ZVS开通；在开通稳态用于退饱和检测短路故障。
图4为本发明提供的一种门极电压变化率dVgs/dt检测单元电路结构图，包括第一比较器CMP1、第二比较器CMP2，第一、第二比较器CMP1、CMP2的同相端连接SiC MOSFET的门极，反相端分别连接参考设定值Vlow、Vhigh，输出信号FBVgs，low、FBVgs，high反馈至逻辑控制单元。
图5为门极电压变化率dVgs/dt检测原理图。由于SiC MOSFET在不同工作结温、负载电流等工况下，米勒平台区间也会随之变化，应满足在不同正常工作条件下，米勒平台都发生在Vlow与Vhigh之间，即Vlow<Vmiller,min，Vhigh>Vmiller,max。当门极电压大于Vlow，FBVgs,low为高电平，当门极开通电压大于Vhigh，FBVgs,high为高电平。为消除门极电压高频振荡影响，逻辑控制单元对接收到的反馈信号FBVgs,low、FBVgs,high进行脉宽小于tVgs,filter的滤波处理，得到FBfilter,low、FBfilter,high。逻辑控制单元通过计算FBfilter,low上升沿至FBfilter,high上升沿时间，得到Vgs从Vlow上升到Vhigh的时间间隔Δt，并通过Δt来表征Vgs从Vlow上升到Vhigh的dVgs/dt。
图6为本发明提供的一种门极电荷Qg检测单元电路结构示意图，包括采样电阻Rg,shunt、差分放大电路、积分电路、积分复位电路、第三比较器CMP3。门极电流信号通过采样电阻Rg,shunt采集，并经差分放大电路放大，放大输出信号再经积分电路得到门极电荷信号Qg，积分所得Qg与电荷参考值Qref进行比较，比较结果FBQg反馈至逻辑控制单元；同时，逻辑控制单元下发控制信号RSTInt至积分复位电路，来使能或复位积分电路。
图7为门极电荷Qg检测原理图。逻辑控制单元在t0时刻接收到PWM开通信号后，下发低电平RSTInt信号至积分复位电路，使能门极电荷Qg检测单元的积分电路；逻辑单元从t0时刻起，经过躲避时间tblank后,下发高电平RSTInt信号至积分复位电路，复位积分电路。门极电荷Qg检测单元实时检测门极电压Vgs从开通t0时刻至躲避时间tblank的门极电荷Qg，当逻辑控制单元检测到FBfilter,high信号的上升沿，若此时接收到门极电荷Qg检测单元反馈信号FBQg为低电平，且低电平持续时间大于设定值tQg,filter；同时逻辑控制单元计算所得Vgs从Vlow上升到Vhigh的时间间隔Δt小于参考值Δtref，则逻辑控制单元判定在开通暂态阶段未识别到米勒平台。
图8为本发明提供的一种漏极电压Vds检测单元电路结构示意图，包括阻容分压电路、钳位电路、第四比较器CMP4、复位电路；漏极电压Vds经阻容分压电路分压后得Vdiv，并接入CMP4同相端；为防止比较器输入电压超出允许范围，使用钳位电路进行钳位；当逻辑控制单元接收到PWM关断信号时，下发高电平RSTVds控制信号驱动MOS开通，将Vdiv下拉至地复位阻容分压电路，比较器反馈低电平FBVds信号至逻辑控制单元；当逻辑控制单元接收到PWM开通信号时，下发低电平RSTVds控制信号驱动MOS关断，此时若漏极电压Vds大于漏极静态参考电压Vds,ref，则Vdiv大于比较器参考值Vdesat，比较器反馈高电平FBVds信号。
图9为漏极电压Vds检测原理图。当SiC MOSFET处于t0时刻前的关断状态时，逻辑控制单元下发高电平RSTVds控制信号驱动MOS开通，将Vdiv下拉至地复位阻容分压电路，漏极电压Vds检测单元反馈低电平FBVds信号至逻辑控制单元。在t0时刻，逻辑控制单元接收到PWM开通信号，下发低电平RSTVds控制信号驱动MOS关断。在正常开通期间，在漏极电压Vds下降至漏极静态参考电压Vds,ref之前，漏极电压Vds检测单元反馈高电平；而在ZVS开通瞬间，漏极电压Vds小于Vds,ref，漏极电压Vds检测单元反馈低电平；当开通瞬间发生HSF短路故障时，漏极电压Vds在短暂跌落后又恢复至直流母线电压，漏极电压Vds大于Vds,ref，漏极电压Vds检测单元反馈高电平。因此，若从开通t0时刻开始，FBVds为高电平持续时间大于tZVS,filter，则逻辑控制单元判定开通暂态非ZVS开通。
图10为本发明实施例提供的一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测方法流程图。t0时刻，逻辑控制单元接收到PWM开通信号，使能门极电荷Qg检测单元积分电路，并闭锁漏极电压Vds检测单元复位电路，启动短路故障检测功能。本发明提供的逻辑控制单元检测SiC MOSFET是否发生短路故障分为开通稳态和开通瞬态2个阶段。
开通暂态阶段，逻辑控制单元判断SiC MOSFET是否发生短路故障具体过程如下：
(1)当门极电压Vgs>Vlow，dVgs/dt检测单元反馈信号FBVgs,low从低电平跳变至高电平，当Vgs>Vhigh，dVgs/dt检测单元反馈信号FBVgs,high从低电平跳变至高电平；逻辑控制单元对接收到的反馈信号FBVgs,low、FBVgs,high进行脉宽小于tVgs,filter的滤波处理，并计算出Vgs从设定值Vlow上升到Vhigh的时间间隔Δt；
(2)逻辑控制单元接收门极电荷Qg检测单元反馈信号FBQg，若Vgs从开通t0时刻至Vhigh的门极电荷Qg小于电荷参考值Qref，则FBQg为低电平；
(3)若Δt小于设定值Δtref，且FBQg低电平持续时间大于第一时间设定值tQg,filter，则逻辑控制单元判定在开通暂态阶段未识别到米勒平台；
(4)逻辑控制单元接收漏极电压Vds检测单元的反馈信号FBVds，当Vds>Vds,ref，则FBVds为高电平，若从开通t0时刻开始，FBVds高电平持续时间大于第二时间设定值tZVS,filter，则逻辑控制单元判定开通暂态非ZVS开通；
(5)在所述开通暂态躲避时间tblank内，若逻辑控制单元未识别到米勒平台，且判定开通暂态为非ZVS开通，则逻辑控制单元判定在开通暂态阶段SiC MOSFET发生HSF短路故障，并输出故障反馈信号；
(6)在tblank时间结束后，逻辑控制单元复位门极电荷Qg检测单元积分电路。
开通稳态阶段，逻辑控制单元接收漏极电压Vds检测单元反馈信号FBVds，实现退饱和检测短路故障，具体过程如下：
(1)逻辑控制单元接收到PWM开通信号，且经过开通暂态躲避时间tblank后，若漏极电压Vds检测单元检测到漏极电压Vds大于参考值Vds,ref，则FBVds为高电平，当高电平持续时间超过第三时间设定值tdesat,filter，则逻辑控制单元判定在开通稳态阶段SiC MOSFET发生短路故障，并输出故障反馈信号；
(2)逻辑控制单元接收PWM关断信号，下发高电平RSTVds控制信号使能漏极电压Vds检测单元复位电路。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路，其特征在于，包括门极电压变化率检测单元、门极电荷检测单元、漏极电压检测单元、逻辑控制单元；门极电压变化率检测单元的一端、门极电荷检测单元的一端分别连接SiC MOSFET的门极，漏极电压检测单元的一端连接SiC MOSFET的漏极，门极电压变化率检测单元、门极电荷检测单元、漏极电压检测单元的另一端均连接逻辑控制单元；
所述门极电压变化率检测单元包括第一比较器、第二比较器，第一、第二比较器的同相端均连接SiC MOSFET的门极，第一比较器的反相端连接第一参考设定值Vlow，第二比较器的反相端连接第二参考设定值Vhigh，第一比较器的输出信号FBVgs，low、第二比较器的输出信号FBVgs，high均反馈至逻辑控制单元；
所述逻辑控制单元用于接收所述门极电压变化率检测单元、门极电荷检测单元、漏极电压检测单元的反馈信号，并判定SiC MOSFET是否发生短路故障，在判定发生短路故障时输出故障信号；所述逻辑控制单元判定SiC MOSFET是否发生短路故障分为开通暂态、开通稳态2个阶段：在开通暂态阶段，基于门极电压变化率检测单元和门极电荷检测单元识别米勒平台，并复用漏极电压检测单元实现硬开关短路故障HSF检测；在开通稳态阶段，基于漏极电压检测单元实现退饱和检测短路故障。
2.根据权利要求1所述快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路，其特征在于，所述门极电荷检测单元包括采样电阻Rg,shunt、差分放大电路、积分电路、第三比较器、积分复位电路，SiC MOSFET的门极经采样电阻Rg,shunt与差分放大电路的输入端连接，差分放大电路的输出端与积分电路的输入端连接，积分电路的输出端连接第三比较器的同相端，第三比较器的反相端连接电荷参考值Qref，第三比较器的输出信号FBQg反馈至逻辑控制单元；积分复位电路的输入端连接逻辑控制单元，积分复位电路的输出端连接积分电路。
3.根据权利要求1所述快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路，其特征在于，所述漏极电压检测单元包括阻容分压电路、钳位电路、第四比较器、复位电路，阻容分压电路经钳位电路与第四比较器的同相端连接，第四比较器的反相端连接比较器参考值Vdesat，第四比较器的输出信号FBVds反馈至逻辑控制单元，复位电路的输入端连接逻辑控制单元，输出端与第四比较器的同相端连接。
4.一种快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测方法，基于权利要求1所述快速的大功率SiC MOSFET短路故障检测电路实现，其特征在于，所述逻辑控制单元检测SiC MOSFET是否发生短路故障分为开通暂态和开通稳态2个阶段；
在开通暂态阶段，逻辑控制单元判断SiC MOSFET是否发生短路故障的具体过程如下：
(1)逻辑控制单元接收门极电压变化率检测单元的反馈信号FBVgs,low与FBVgs,high，并经滤波处理后计算出门极电压Vgs从第一参考设定值Vlow上升到第二参考设定值Vhigh的时间间隔Δt；
(2)门极电荷检测单元实时检测Vgs从开通t0时刻至躲避时间tblank内的门极电荷Qg，逻辑控制单元接收门极电荷检测单元的反馈信号FBQg，若门极电荷Qg小于电荷参考值Qref，则FBQg为低电平；
(3)若Δt小于时间参考值Δtref，且Vgs到达Vhigh时FBQg为低电平且低电平持续时间大于第一时间设定值tQg,filter；则逻辑控制单元在开通暂态阶段未识别到米勒平台；
(4)逻辑控制单元接收漏极电压检测单元的反馈信号FBVds，当漏极电压Vds大于漏源电压参考值Vds,ref，则FBVds为高电平，若从开通t0时刻开始，FBVds高电平持续时间大于第二时间设定值tZVS,filter，则逻辑控制单元判定开通暂态为非ZVS开通；
(5)在开通暂态躲避时间tblank内，若逻辑控制单元未识别到米勒平台，且判定开通暂态为非ZVS开通，则逻辑控制单元判定在开通暂态阶段SiC MOSFET发生短路故障，并输出故障反馈信号；
在开通稳态阶段，逻辑控制单元判断SiC MOSFET是否发生短路故障的具体过程如下：
经过开通暂态躲避时间tblank后，若漏极电压检测单元检测到漏极电压Vds大于漏源电压参考值Vds,ref，则逻辑控制单元接收漏极电压检测单元的反馈信号FBVds为高电平，当高电平持续时间超过第三时间设定值tdesat,filter，则逻辑控制单元判定在开通稳态阶段SiCMOSFET发生短路故障，并输出故障反馈信号。
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