CN116699460A - 一种to247封装的碳化硅器件高速故障检测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***及方法。本发明的检测***包括TO247封装的SiC MOSFET芯片、TMR电流传感器和故障检测单元；所述的TMR电流传感器包含第一TMR桥臂、第二TMR桥臂和运算放大器，第一TMR桥臂与第二TMR桥臂关于中轴线对称；分别连接SiC MOSFET芯片漏极的左铜箔和芯片源极的右铜箔也关于中轴线对称；两个TMR桥臂共包含4个TMR电阻R₁‑R₄，构成桥式结构；所述的运算放大器与桥式结构连接；所述的TMR电流传感器与所述的故障检测单元连接，将获得的采样电流输入故障检测单元中，判断SiC MOSFET芯片是否有短路故障。本发明采用TMR电流传感器屏蔽外界磁场的干扰，实现了TO247封装的SiC MOSFET快速短路保护。

Description

一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***及方法

技术领域

本发明属于短路和过流保护技术领域，涉及一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***及方法。

背景技术

可靠的短路和过流保护对电力电子器件的可靠性至关重要。相比于Si IGBT，SiCMOSFET的短路电流上升速度和峰值要大得多，短路承受时间短，需要在3μs完成短路故障检测与保护(电流降为0)。广泛用于Si IGBT的退饱和技术不适用于SiC MOSFET的短路和过流保护，一是由于无法兼顾诊断速度和准确率，二是无法适应SiC MOSFET导通压降随温度明显变化的特性。因此，亟需研究可靠、快速的SiC MOSFET短路及过流保护技术，助力SiCMOSFET的大规模推广应用。

针对SiC MOSFET短路和过流保护，国内外研究人员提出了多种方案，大多是直接获取流经SiC MOSFET的电流信息。

检测电流最简单的方法是利用欧姆定律，将电流转换为电压信号。在SiC MOSFET的功率回路***采样电阻，即可获得SiC MOSFET的电流信息，但该方法由于损耗、测量噪声和环路电感大等问题，不适合高压大功率场合。为克服上述弊端，可将SiC MOSFET芯片的小部分晶胞专门用于电流检测，称为SenseFET技术。三菱电机SiC MOSFET模块FMF800DX-24A采用了该技术，图1展示了功率芯片图片及其等效电路图，流经Sense电极的电流i_sense与主电路电流i_d呈正比，利用电阻把i_sense转为电压信号即可用于短路和过流保护，芯片中Sense电极与Source电极隔离，减小了主功率电路对电流测量的干扰。然而，这种方法并不具备普遍性，多数SiC MOSFET芯片尚未集成Sense电极，且此类senseFET模块成本也较高。

法拉第电磁感应定律也能用来测量电流。一种典型的方法如图2所示，采用RC积分电路，将开尔文电感的L_kdi/dt信息转为电压v_c，将v_c与阈值比较即可判断短路故障。田纳西州立大学和弗吉利亚理工CPES分别利用该电路在170ns(分立器件)和1.1μs(1200V/325A模块)内实现了短路故障检测及保护。该方法电路简单，无需高速运算放大器(成本低)，且保护速度快，但是无法用于过流保护，很显然只在高频时有效，变化缓慢的过流故障检测时间会明显变长，甚至检测不到。此外，该方法的信号检测电路与主功率电路物理上无隔离，开关尖刺易传递至电流检测电路，造成误诊断。

罗氏线圈也是一种经典的基于法拉第定律的电流检测方法。罗氏线圈基本工作原理如图3所示，感应部分一般是环状结构，包含数百圈空心线圈，带电导体穿过该环状结构，并与其形成互感。导体电流i_d在环状结构感应出电压v_r，v_r经积分后可得到电流i_d的交流成分。美国弗吉利亚理工大学CPES采用多层PCB制作了集成罗氏线圈，采用基于运算放大器的积分电路提高带宽，额外添加屏蔽层减小SiC MOSFET共模噪声dv/dt对电流检测的影响，能在470ns内检测SiC MOSFET短路故障并将其软关断。然而，该方法成本较高，积分器中的运算放大器内部一般存在偏置电压、电流，会导致积分器的输出漂移甚至饱和，为解决该问题需要采用高性能运算放大器，添加校正电路和复位开关并逐个调试，这些措施都增加了罗氏线圈的成本，LEM公司商用的罗氏线圈传感器价格一般超过100美元。此外，罗氏线圈也无法测量直流或低频电流，难以实现准确的过流故障保护。

磁场传感器是一类可以将静态及动态磁场转为电信号输出的元件，可以测量电流的直流和交流分量。Hall传感器在电力电子领域应用最为广泛，开环Hall(传感器)一般会添加磁芯聚集i_d产生的磁场。由于磁芯的磁滞损耗和集肤效应，开环Hall的响应速度一般较慢。百安培级的商用开环Hall响应时间(t_r)一般都为数微秒，如LEM HTFS 400-P/SP7(400A)t_r＝3.5μs，Allegro ACS773(200A)t_r＝2.5μs。由于响应速度慢，开环Hall不适宜于SiC MOSFET的短路保护。此外，开环Hall线性度和偏置电压受温度影响明显。闭环Hall传感器可以大幅提高动态响应，并减少温漂，但是其体积大、成本高，也不适宜于SiCMOSFET短路和过流保护。

TO247是SiC MOSFET单管最常用的封装，如图4所示，Cree、Infineon等SiC器件主流厂商均采用该封装。TO247封装结构简单，内部只包含一个SiC MOSFET芯片，成本较低，用于小功率场合，常用于数kW～数10kW功率。这类封装需要成本较低但检测速度极快的故障检测***和方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种TO247封装的SiC MOSFET短路故障检测***及方法，其采用TMR电流传感器屏蔽外界磁场的干扰，以实现TO247封装的SiC MOSFET快速短路保护。

为此，本发明采用的一种技术方案为：一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***，其包括TO247封装的SiC MOSFET芯片、TMR电流传感器和故障检测单元；TO247封装的SiC MOSFET芯片安装在PCB板上；

所述的TMR电流传感器包含第一TMR桥臂、第二TMR桥臂和运算放大器，所述的第一TMR桥臂和第二TMR桥臂分别放置于PCB板的左铜箔和右铜箔上，第一TMR桥臂与第二TMR桥臂关于中轴线对称；分别连接SiC MOSFET芯片漏极的左铜箔和芯片源极的右铜箔也关于中轴线对称；

两个TMR桥臂共包含4个TMR电阻R₁-R₄，构成桥式结构；

所述的运算放大器与桥式结构连接，用于将桥式结构的电压差放大，放大后的电压差与流经SiC MOSFET芯片的电流成正比；

所述的TMR电流传感器与所述的故障检测单元连接，将获得的采样电流输入故障检测单元中，判断SiC MOSFET芯片是否有短路故障。

进一步地，当磁场为x正方向时，TMR电流传感器的电阻值随着磁场的增加而近似线性增大；当磁场为x负方向时，TMR电流传感器的电阻值随着磁场的增加而近似线性减小。

进一步地，4个TMR电阻R₁-R₄的敏感方向相同，均为x正方向。

进一步地，电流经由左铜箔流入SiC MOSFET漏极，从源极流出，并流经右铜箔；左铜箔和右铜箔产生磁场，其中左铜箔产生的磁场指向x的负方向，右铜箔产生的磁场指向x的正方向，当流经TMR电流传感器时，TMR电阻R1、R2的阻值减小，TMR电阻R3和R4的阻值增大。

更进一步地，第一TMR桥臂与第二TMR桥臂接收到的磁场大小相同、方向相反，设第一TMR桥臂接收到-B，第二TMR桥臂接收到+B；无磁场时，TMR电流传感器的电阻值设为R，则存在磁场时，TMR电阻R1～R4的阻值分别是：

R₁＝R₂＝R-kB

R₃＝R₄＝R+kB

其中k为灵敏度，左、右半桥的输出V1和V2分别为：

式中，Vcc表示TMR的供电电压；

由此得桥式结构的输出为：

设流经SiC MOSFET的电流为I，根据安培定律，设第一TMR桥臂与第二TMR桥臂处磁场B与电流I的关系为：

其中，μ_o为磁导率，L为第一TMR桥臂和第二TMR桥臂与电流的等效距离，得到：

设运算放大器可将Δv放大N倍，则该TMR电流传感器的输出为：

Vo＝NΔv＝NV_CCS·I

从上可知，TMR电流传感器可测量流经SiC MOSFET的电流I。

再进一步地，假设干扰磁场B1为同一方向的磁场，会导致：

R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R+kB₁

则桥式结构的输出：

Δv＝V1-V2＝0

因此，干扰磁场B1不会被TMR电流传感器感应到，实现干扰磁场的屏蔽。

进一步地，所述的故障检测单元包括依次串联的比较器、计数器和隔离器。

再进一步地，计数器的计数值cnt通过Rst信号强制变为0。

进一步地，所述的TMR电流传感器单独封装成芯片或其与故障检测单元一起封装成芯片。

本发明采用的另一种技术方案为：一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测方法，采用上述碳化硅器件高速故障检测***，其包括：

第一步，采用TMR电流传感器检测电流；

第二步，TMR电流传感器的输出电压Vo经计算后得到采样电流I，与预设的阈值电流Ith比较，当I≤Ith时，比较器输出v3为低电平，回到第一步；当I>Ith时，比较器输出v3为高电平，进入第三步；

第三步，v3为高电平时，计数器的计数值cnt开始计算，当cnt超过N时，计数器输出v4被设置为高电平，进入第四步；若cnt<N而v3变为低电平，则cnt将被置为0，回到第一步；

第四步，v4的高电平通过隔离器将传递给驱动芯片，强制关断SiC MOSFET，避免SiC MOSFET因过热而损坏。

本发明具有的有益效果如下：(1)采用TMR电流传感器屏蔽外界磁场的干扰，实现了TO247封装的SiC MOSFET快速短路保护；(2)TMR电流传感器只需要固定在PCB上方即可，与主功率无电气连接，体积小、安装方便；(3)短路检测时间小于200ns，远快于退饱和技术(>500ns)；(4)为一种可靠、快速的SiC MOSFET短路及过流保护技术，助力SiC MOSFET的大规模推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为集成电流测量端子的SiC MOSFE芯片的等效电路图；

图2为基于开尔文电感的短路检测电路图；

图3为基于集成罗氏线圈的短路检测图；

图4a为TO247-3封装结构图；

图4b为TO247-4封装结构图；

图5为TO247焊接在PCB板上的结构示意图；

图6为本发明的一种TMR电流传感器内部结构图(针对TO247-4)；

图7为本发明的另一种TMR电流传感器内部结构图(针对TO247-3)；

图8为本发明的短路故障检测流程图；

图9为本发明短路故障检测单元的时序图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

TO247是SiC MOSFET单管最常用的封装，如图4a和图4b所示，Cree、Infineon等SiC器件主流厂商均采用该封装。TO247封装结构简单，内部只包含一个SiC MOSFET芯片，成本较低，用于小功率场合，常用于数kW～数10kW功率。这类封装需要成本较低但检测速度极快的故障检测方法。

本实施例提供一种TO247封装的SiC MOSFET短路故障检测***，包括TO247封装的SiC MOSFET芯片、TMR电流传感器和故障检测单元。TO247封装的SiC MOSFET芯片安装在PCB板上，如图5所示，其中1表示TO247封装SiC MOSFET，2为焊盘，3为PCB板，4为TMR电流传感器。31为连接SiC MOSFET漏极的左铜箔。32为连接SiC MOSFET源极的右铜箔。TMR电流传感器只需要放置于PCB上方即可，与主功率无电气接触，体积小、安装方便。

图6给出了TMR电流传感器内部结构图，包含2个TMR桥臂(第一TMR桥臂TMR1、第二TMR桥臂TMR2)和1个运算放大器。TMR1与TMR2关于中轴线对称；左铜箔31与右铜箔32也关于中轴线对称。两个TMR桥臂共包含R1-R4共4个TMR电阻，构成桥式结构，R1-R4向上箭头表示随着TMR敏感方向(x正方向)磁场增大而增大：当磁场为x正方向时，TMR的电阻值随着磁场的增加而近似线性增大；当磁场为x负方向时，TMR的电阻值增加而近似线性减小。y或z方向的磁场不会引起TMR电阻值的变化。TMR电流传感器还包含了运算放大器(简称运放)，运算放大器将TMR桥式结构的电压差(V1-V2)放大。

如图6所示，SiC MOSFET在导通时或短路故障时均会流通箭头所示的电流。电流经由左铜箔31流入SiC MOSFET漏极，从源极流出，并流经右铜箔32。左铜箔31和右铜箔32会产生磁场，根据右手定则，磁场方向如图6所示，其中左铜箔31产生的磁场指向x的负方向，右铜箔32产生的磁场指向x的正方向。这样，当流经TMR电流传感器时，R1、R2的阻值减小，R3和R4的阻值增大。图6中TMR1与TMR2关于中轴线对称，两块铜箔左铜箔31和右铜箔32也关于中轴线对称，因而TMR1与TMR2接收到的磁场大小相同，方向相反，不妨设TMR1接收到-B，TMR2接收到+B。无磁场时，设TMR的电阻值为R，则存在磁场时，R1～R4的阻值分别是：

R₁＝R₂＝R-kB

R₃＝R₄＝R+kB

其中k为灵敏度。左、右半桥的输出V1和V2分别为：

由此可得桥式结构的输出为：

设流经SiC MOSFET的电流为I，根据安培定律，设TMR1和TMR2处磁场B与电流I的关系为：

其中，μ_o为磁导率，L为TMR1、TMR2与电流的等效距离。因此，可以得到：

设运算放大器可将Δv放大N倍，则该TMR电流传感器的输出为：

Vo＝NΔv＝NV_CCS·I

可以看到，TMR电流传感器可以把流经SiC MOSFET的电流测量I测量出来。

该TMR电流传感器的优点在于，传感器的测量不受干扰磁场的影响。干扰磁场源一般距离TMR电流传感器距离较远，可以近似地认为干扰磁场为同一方向的磁场。如图6所示干扰磁场B1，会导致

R₁＝R₂＝R3＝R4＝R+kB₁

则桥式结构的输出：

Δv＝V1-V2＝0

因此，干扰磁场B1不会被TMR感应到，实现了干扰磁场的屏蔽。该TMR电流传感器针对TO247-3的布置方法类似，如图7所示。

利用图6所示电流传感器测得的电流，即可用于保护SiC MOSFET。短路故障检测流程图如图8所示，对应的时序图如图9所示。

短路故障检测流程的步骤如下：

第一步，采用TMR电流传感器检测电流；

第二步，TMR电流传感器的输出电压Vo经计算后得到采样电流I，与预设的阈值电流Ith比较，当I≤Ith时，比较器输出v3为低电平，回到第一步；当I>Ith时，比较器输出v3为高电平，进入第三步；

第三步，v3为高电平时，计数器的计数值cnt开始计算，当cnt超过N时，计数器输出v4被设置为高电平，进入第四步；若cnt<N而v3变为低电平，则cnt将被置为0，回到第一步；

第四步，v4的高电平通过隔离器将传递给驱动芯片，强制关断SiC MOSFET，避免SiC MOSFET因过热而损坏。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***，其特征在于，包括TO247封装的SiCMOSFET芯片、TMR电流传感器和故障检测单元；TO247封装的SiC MOSFET芯片安装在PCB板上；

所述的TMR电流传感器包含第一TMR桥臂、第二TMR桥臂和运算放大器，所述的第一TMR桥臂和第二TMR桥臂分别放置于PCB板的左铜箔和右铜箔上，第一TMR桥臂与第二TMR桥臂关于中轴线对称；分别连接SiC MOSFET芯片漏极的左铜箔和芯片源极的右铜箔也关于中轴线对称；

两个TMR桥臂共包含4个TMR电阻R₁-R₄，构成桥式结构；

所述的运算放大器与桥式结构连接，用于将桥式结构的电压差放大，放大后的电压差与流经SiC MOSFET芯片的电流成正比；

所述的TMR电流传感器与所述的故障检测单元连接，将获得的采样电流输入故障检测单元中，判断SiC MOSFET芯片是否有短路故障。

2.根据权利要求1所述的一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***，其特征在于，

当磁场为x正方向时，TMR电流传感器的电阻值随着磁场的增加而近似线性增大；当磁场为x负方向时，TMR电流传感器的电阻值随着磁场的增加而近似线性减小。

3.根据权利要求1所述的一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***，其特征在于，4个TMR电阻R₁-R₄的敏感方向相同，均为x正方向。

4.根据权利要求1所述的一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***，其特征在于，

电流经由左铜箔流入SiC MOSFET漏极，从源极流出，并流经右铜箔；左铜箔和右铜箔产生磁场，其中左铜箔产生的磁场指向x的负方向，右铜箔产生的磁场指向x的正方向，当流经TMR电流传感器时，TMR电阻R1、R2的阻值减小，TMR电阻R3和R4的阻值增大。

5.根据权利要求4所述的一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***，其特征在于，第一TMR桥臂与第二TMR桥臂接收到的磁场大小相同、方向相反，设第一TMR桥臂接收到-B，第二TMR桥臂接收到+B；无磁场时，TMR电流传感器的电阻值设为R，则存在磁场时，TMR电阻R1～R4的阻值分别是：

R₁＝R₂＝R-kB

R₃＝R₄＝R+kB

其中，k为灵敏度，左、右半桥的输出V1和V2分别为：

式中，Vcc表示TMR的供电电压；

由此得桥式结构的输出为：

设流经SiC MOSFET的电流为I，根据安培定律，设第一TMR桥臂与第二TMR桥臂处磁场B与电流I的关系为：

其中，μ_o为磁导率，L为第一TMR桥臂和第二TMR桥臂与电流的等效距离，得到：

设运算放大器可将Δv放大N倍，则该TMR电流传感器的输出为：

Vo＝NΔv＝NV_CCS·I

从上可知，TMR电流传感器可测量流经SiC MOSFET的电流I。

6.根据权利要求5所述的一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***，其特征在于，假设干扰磁场B1为同一方向的磁场，会导致：

R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R+kB₁

则桥式结构的输出：

Δv＝V1-V2＝0

因此，干扰磁场B1不会被TMR电流传感器感应到，实现干扰磁场的屏蔽。

7.根据权利要求1所述的一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***，其特征在于，所述的故障检测单元包括依次串联的比较器、计数器和隔离器。

8.根据权利要求7所述的一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***，其特征在于，计数器的计数值cnt通过Rst信号强制变为0。

9.根据权利要求1所述的一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测***，其特征在于，所述的TMR电流传感器单独封装成芯片或其与故障检测单元一起封装成芯片。

10.一种TO247封装的碳化硅器件高速故障检测方法，采用权利要求1-9任一项所述碳化硅器件高速故障检测***，其特征在于，包括：

第一步，采用TMR电流传感器检测电流；

第二步，TMR电流传感器的输出电压Vo经计算后得到采样电流I，与预设的阈值电流Ith比较，当I≤Ith时，比较器输出v3为低电平，回到第一步；当I>Ith时，比较器输出v3为高电平，进入第三步；

第三步，v3为高电平时，计数器的计数值cnt开始计算，当cnt超过N时，计数器输出v4被设置为高电平，进入第四步；若cnt<N而v3变为低电平，则cnt将被置为0，回到第一步；

第四步，v4的高电平通过隔离器将传递给驱动芯片，强制关断SiC MOSFET，避免SiCMOSFET因过热而损坏。