CN117099004A - 用于栅极控制的功率开关处的短路的快速短路检测的方法和设备 - Google Patents
用于栅极控制的功率开关处的短路的快速短路检测的方法和设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117099004A CN117099004A CN202180096654.7A CN202180096654A CN117099004A CN 117099004 A CN117099004 A CN 117099004A CN 202180096654 A CN202180096654 A CN 202180096654A CN 117099004 A CN117099004 A CN 117099004A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- circuit
- gate
- short
- signal
- power switch
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 159
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 62
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 claims description 18
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 claims description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 25
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 230000001568 sexual effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
- G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/04—Voltage dividers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
- G01R19/0038—Circuits for comparing several input signals and for indicating the result of this comparison, e.g. equal, different, greater, smaller (comparing pulses or pulse trains according to amplitude)
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
- H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
- H03K17/0822—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit in field-effect transistor switches
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Power Conversion In General (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
Abstract
一种用于检测栅极控制的功率开关(4)处的短路SC的快速短路检测方法，所述方法包括以下步骤：响应于沿着所述栅极控制的功率开关(4)的杂散电感LS的电压降ΔVLS而提供(S1)测量信号VLS,m，以及在所提供的测量信号VLS,m超过基准电压Vref并且所述栅极控制的功率开关(4)处于接通状态的情况下生成(S2)短路检测信号VSC。
Description
本发明涉及一种用于检测栅极控制的功率开关(特别是碳化硅或氮化镓MOSFET)处的短路的方法和设备。
存在用于检测栅极控制的功率开关处的短路的不同种类的常规检测方法。
利用传统的饱和检测方法，通过二极管感测MOSFET的漏极端子和源极端子之间的漏极源极电压。当在接通瞬态期间感测到的漏极电压没有下降到其饱和电压时，可以检测到故障。这种检测需要相对仔细的设计，并且高度依赖于温度。在MOSFET的情况下还需要饱和，而在IGBT的情况下还需要去饱和。
在高电感短路的情况下，这种常规方法难以良好地工作。
另一种常规检测方法包括通过将栅极处的栅极电荷与栅极控制的功率开关的栅极和源极端子之间的栅极源极电压进行比较来检测短路。例如，可以通过使用电流镜结构感测栅极电流或测量栅极电阻两端的电压降来获取栅极电荷。此外，这种常规方法需要校准并且实施起来相当复杂。
短路检测的另一种可能的方式是执行流动电流的直流测量，然而，这对功率回路具有影响并且实施起来也不容易。此外，短路检测的这种方式实施起来是庞大且昂贵的。
因此，本发明的目的是提供一种允许快速检测栅极控制的功率开关处的短路并且不需要复杂的实施方式的方法和设备。
该目的根据本发明的第一方面通过包括权利要求1的特征的用于检测栅极控制的功率开关处的短路的快速短路检测设备来实现。
根据第一方面，本发明提供了一种用于栅极控制的功率开关处的短路检测的短路检测设备，所述设备包括测量电路和短路检测信号生成电路，所述测量电路用于响应于沿着所述栅极控制的功率开关的杂散电感的电压降而生成测量信号，所述短路检测信号生成电路用于在所述测量信号超过基准电压并且所述栅极控制的功率开关处于接通状态的情况下生成短路检测信号。
在根据本发明的第二方面的短路检测设备的可能的实施例中，所述测量电路连接到集成在封装中的所述栅极控制的功率开关，所述栅极控制的功率开关包括Kelvin源极引脚，该Kelvin源极引脚用于通过所述Kelvin源极引脚和所述源极引脚之间的所述短路检测设备的所述测量电路分接沿着所述栅极控制的功率开关的所述杂散电感的所述电压降。
在另一可能实施例中，根据本发明的第二方面的短路检测设备用于检测栅极控制的功率开关处的短路，所述栅极控制的功率开关包括MOSFET，特别是SiC或GaN MOSFET。
在根据本发明的第二方面的短路检测设备的又一可能实施例中，所述比较器电路用于将由所述测量电路生成的测量信号与自生成的基准电压进行比较，以生成比较器输出信号。
在根据本发明的第二方面的短路检测设备的又一可能实施例中，所述短路检测信号生成电路包括分压器电路、信号延迟电路和逻辑门，所述分压器电路用于测量由栅极驱动器电路输出并供应给所述栅极控制的功率开关的栅极端子的栅极控制信号的输出电压，以提供测量的栅极电压，所述信号延迟电路用于以延迟时间延迟所述测量的栅极电压，以提供短路检测使能信号，其中，在所述逻辑门被从所述信号延迟电路接收的所述短路检测使能信号使能的情况下，由所述比较器电路输出的所述比较器输出信号经由所述逻辑门作为所述短路检测信号被供应给所述栅极驱动器电路的输入端。
根据另一方面，本发明提供了一种用于检测栅极控制的功率开关处的短路的快速短路检测方法，所述方法包括以下步骤：响应于沿着所述栅极控制的功率开关的杂散电感的电压降而提供测量信号，以及在所提供的测量信号超过基准电压并且所述栅极控制的功率开关处于接通状态的情况下生成短路检测信号。
本发明不需要复杂的实施方式，特别是不需要提供复杂的模拟或数字电路，例如FPGA。根据本发明的方法和设备提供了对可能的短路电流的非常快速的检测。它可以在不同的短路电流状况下操作，并且实施起来容易且便宜。也不需要等待栅极控制的功率开关的去饱和。根据本发明的方法和设备允许栅极控制的功率开关的正常操作，而不干扰或影响其正常操作。可以在纳秒内非常快速地检测短路。由栅极驱动器输出的电压可以用于激活根据本发明的第一方面的检测方法。根据本发明的方法和设备测量栅极控制的功率开关的杂散电感两端的电压，以检测栅极控制的功率开关处的短路电流。在可能的实施例中，用于短路检测的栅极控制的功率开关的杂散电感包括在栅极控制的功率开关的源极端子和Kelvin源极引脚之间的杂散电感。
在可能的实施例中，所述测量信号由具有比较器电路的测量电路生成，所述比较器电路将所述测量信号与所述基准电压进行比较以生成比较器输出信号。
在根据本发明的第一方面的方法的可能实施例中，所生成的短路检测信号被供应给栅极驱动器电路的输入端，以在关断时段内触发所述栅极驱动器电路对所述栅极控制的功率开关的自动关断。
在根据本发明的第一方面的方法的可能实施例中，由所述栅极驱动器电路输出并经由栅极电阻器施加到所述栅极控制的功率开关的栅极端子的栅极控制信号的输出电压借助于分压器电路来测量，以提供所述栅极驱动器电路的所述测量的输出电压。
在根据本发明的第一方面的方法的可能实施例中，通过信号延迟电路以延迟时间延迟所述栅极驱动器电路的测量的栅极电压，以提供短路检测使能信号。
在根据本发明的第一方面的方法的又一可能实施例中，在逻辑门被从所述信号延迟电路接收的所述短路检测使能信号使能的情况下，所述比较器输出信号可以经由所述逻辑门作为所述短路检测信号被供应给所述栅极驱动器电路的所述输入端。
在根据本发明的第一方面的方法的又一可能实施例中，由所述栅极驱动器电路施加到所述栅极控制的功率开关的所述栅极端子的所述栅极控制信号包括从微控制器接收的信号。
该信号可以包括调制信号(特别是脉宽调制信号)或一个或多个信号脉冲。
在根据本发明的第一方面的方法的又一可能实施例中，所述基准电压包括从所述测量信号的稳态电压导出的内部基准电压。
在下文中，参考附图更详细地描述本发明的不同方面的可能实施例。
图1示出了图示根据本发明的一个方面的短路检测设备的可能示例性实施例的框图；
图2示出了图示根据本发明的另一方面的快速短路检测方法的可能示例性实施例的抽象流程图；
图3A、图3B示出了功率电子***内的不同类型的短路，以图示根据本发明的快速短路检测方法的操作；
图4示出了图示根据本发明的方法和设备的可能实施例的示意图；
图5示出了图示根据本发明的方法和设备的操作的信号图；
图6示出了用于图示根据本发明的方法和设备的操作的另外的信号图；
图7示出了用于图示根据本发明的方法和设备的可能示例性实施例的另外的信号图；
图8示出了图示根据本发明的在SC类型1的情况下的方法和设备的可能示例性实施例的另外的信号图；
图9示出了图示根据本发明的在SC类型2的情况下的方法和设备的操作的另外的信号图；
图10示出了图示根据本发明的设备的可能示例性实施例的电路图；
图11示出了图示根据本发明的方法和设备的可能示例性实施例的信号图；
图12A、图12B、图12C示出了图示短路场景的实验结果的信号图，以图示根据本发明的方法和设备的操作；
图13A、图13B示出了图示另一短路场景的实验结果的信号图，以图示根据本发明的方法和设备的操作；
图14示出了图示在栅极控制的功率开关的正常操作中的双脉冲测试的信号图。
从图1的示意性框图可以看出，在所图示的示例性实施例中，根据本发明的一个方面的短路检测设备1包括测量电路2和短路检测信号生成电路3。如图1的框图中所示的短路检测设备1可以用于栅极控制的功率开关(诸如MOSFET)处的短路检测。设备1的测量电路2用于响应于沿着相应的栅极控制的功率开关4的杂散电感LS的电压降ΔVLS而生成测量信号VLS,m。设备1的短路检测信号生成电路3用于在测量信号VLS,m确实超过基准电压Vref并且栅极控制的功率开关4处于接通状态的情况下生成短路检测信号VSC。设备1的测量电路2可以连接到集成在封装中的栅极控制的功率开关4，在可能的实施例中，该栅极控制的功率开关4包括Kelvin源极引脚S'，其用于通过短路检测设备1的测量电路2分接沿着栅极控制的功率开关4的Kelvin源极引脚和源极引脚之间的杂散电感LS的电压降ΔVLS。由测量电路2分接的栅极控制的功率开关4可以包括MOSFET，特别是SiC MOSFET或GaN MOSFET或GaN HEMT。此外，栅极控制的功率开关4还可以包括例如IGBT。
图2示出了图示根据本发明的另一方面的用于检测栅极控制的功率开关处的短路的快速短路检测方法的可能示例性实施例的流程图。在所图示的示例性实施例中，快速短路检测方法包括两个主要步骤。
在第一步骤S1中，响应于沿着栅极控制的功率开关4(诸如MOSFET)的杂散电感LS的电压降ΔVLS而提供测量信号VLS,m。
在另一步骤S2中，如果所提供的测量信号VLS,m确实超过基准电压Vref并且栅极控制的功率开关4处于接通状态，则自动生成短路检测信号VSC。在可能的实施例中，提供电压降的杂散电感LS包括在栅极控制的功率开关4的源极端子S处的杂散电感。在可能的实施例中，由短路检测信号生成电路3输出的所生成的短路检测信号VSC可以如图4所示的那样被供应到栅极驱动器电路5的输入端，以在预定义的关断时段内通过栅极驱动器电路5触发栅极控制的功率开关4的自动关断。大多数栅极驱动器包括SC检测输入端。
图3A、图3B示出了功率电子***内的可能类型的短路的不同示例。
栅极控制的功率开关4可以包括不同种类的材料。用于功率装置的不同材料(诸如碳化硅SiC或氮化镓GaN)提供了具有更快切换能力的栅极控制的功率开关4，以减少功率损耗并增加效率。然而，在短路情况下，流过栅极控制的功率开关4的电流的电流密度可能极其高，并且可能引起其结温的高增加。这进而导致栅极控制的功率开关4的高应力，并且确实限制了其短路承受能力。由于栅极控制的功率开关4具有降低的短路承受能力，因此降低了整个功率电子***的可靠性。根据本发明的快速短路检测方法允许在例如小于300纳秒的预定义反应时间内快速检测栅极控制的功率开关4处的短路SC。根据本发明的快速短路检测方法的实施方式仅需要简单的电路，从而改善了功率电子***的可靠性。利用根据本发明的快速短路检测方法，可以使用复杂的栅极控制的功率开关，诸如碳化硅SiC功率开关或氮化镓GaN功率开关。
在功率电子***中，存在两种常见类型的可能的短路SC，其可以被定义如下。第一短路类型SC1包括硬开关故障HSF。在这种情况下，装置在已经存在的短路SC的情况下被接通，也如图3A所示。功率装置由接收例如来自微控制器的PWM信号的驱动电路驱动。另一种类型的短路包括负载下故障FUL。在这种情况下，当功率装置处于如图3A所示的导通状态时，短路SC确实发生。在图3B所示的情况下，两个栅极控制的功率开关4通过驱动器电路接收互补的PWM信号。如果两个栅极控制的功率开关4中的一个处于接通状态(导通状态)并且在另一个栅极控制的功率开关4的负载处存在短路，则负载下故障FUL确实发生。
根据本发明的快速短路检测方法用于使用沿着栅极控制的功率开关4的杂散电感LS的电压降ΔVLS来检测例如图3A、图3B中所示的栅极控制的功率开关4处的短路SC。在可能的实施例中，电压降ΔVLS可以在源极和驱动器源极引脚之间测量。在可能的实施例中，可以使用连接到栅极控制的功率开关4的栅极端子的栅极驱动器的输出电压来激活短路检测。在该实施例中，根据本发明的短路检测设备1只有在栅极控制的功率开关4处于接通状态时才激活。
图4示出了图示根据本发明的短路检测设备1的可能示例性实施例的电路图。在该实施例中，根据本发明的短路检测设备1用于栅极控制的功率开关4处的短路检测。在所图示的实施例中，栅极控制的功率开关4可以是如图4所示的MOSFET。栅极控制的功率开关4还可以包括作为分立或集成功率模块集成在不同封装中的其他装置，特别是诸如IGBT、GaN(HEMT)或SiCMOS等的功率开关。在所图示的实施例中，栅极控制的功率开关4集成在具有若干连接引脚的封装中。栅极控制的功率开关4包括栅极G、漏极D和源极S。如图4所示，集成在封装中的栅极控制的功率开关4包括附加的Kelvin源极引脚S'，其允许测量沿着栅极控制的功率开关4的源极S处的杂散电感LS的电压。沿着栅极控制的功率开关4的杂散电感LS的电压降ΔVLS被施加到短路检测设备1的测量电路2的输入，如图4所示。测量电路2用于响应于接收到的沿着栅极控制的功率开关4的杂散电感LS的电压降ΔVLS而生成测量信号VLS,m。连接到测量电路2的短路检测信号生成电路3用于在从测量电路2接收的测量信号VLS,m确实超过基准电压Vref的情况下并且在栅极控制的功率开关4处于接通状态的情况下生成短路检测信号VSC。测量电路2连接到集成在封装中的栅极控制的功率开关4，该栅极控制的功率开关4包括用于通过测量电路2分接沿着栅极控制的功率开关4的杂散电感LS的电压降ΔVLS的Kelvin源极引脚S'。
在图4所示的实施例中，短路检测信号生成电路3包括两个主要部件，即比较器电路3A和使能SC检测电路3B。由测量电路2生成的测量信号VLS,m通过短路检测信号生成电路3的比较电路3A与基准电压Vref进行比较以生成比较器输出信号VLS,c，如图4所示。该比较器输出信号VLS,c被施加到使能SC检测电路3B，如图4所示。
在图10的电路图中示出了使能SC检测电路3B的可能实施方式。在图10所示的实施例中，SC检测信号生成电路3包括具有分压器电路31、信号延迟电路32和逻辑门33的使能SC检测电路3B。如图10的电路图中所示，使能SC检测电路3B可以包括具有电阻器R9、R10的分压器电路31，该分压器电路31用于测量由栅极驱动器电路5输出并通过栅极电阻器供应给栅极控制的功率开关4的栅极端子G的栅极控制信号VG的输出电压，以提供测量的栅极电压VG,m。此外，使能SC检测电路3B可以包括信号延迟电路32，该信号延迟电路32用于以预定义延迟时间tdel延迟测量的栅极电压VG,m以提供短路检测使能信号VSC,en，如图10的电路图中所示。此外，使能SC检测电路3B可以包括逻辑门33。如果逻辑门33被从信号延迟电路32的比较器接收的短路检测使能信号VSC,en使能，则由比较器电路3A输出的比较器输出信号VLS,c可以经由该逻辑门33作为短路检测信号VSC被供应给栅极驱动器电路5的输入端SC。
图4示出了被供应给栅极驱动器电路5的输入端SC的短路检测信号VSC。由短路检测信号生成电路3生成的所生成的短路检测信号VSC被供应给栅极驱动器电路5的输入端SC，以在预定义关断时段内触发栅极驱动器电路5对栅极控制的功率开关4的自动关断。由栅极驱动器电路5输出的栅极控制信号VG被施加到栅极控制的功率开关4的栅极端子G，如图4所示。在可能的实施例中，由栅极驱动器电路5输出的栅极控制信号VG可以经由电阻器RG,ext施加到栅极控制的功率开关4的栅极端子G。
在可能的实施例中，由栅极驱动器电路5输出的栅极控制信号VG可以借助于使能SC检测电路3B的分压器电路31来测量，如图10的电路图中所示。该测量的栅极电压VG被使能SC检测电路3B的延迟电路32以延迟时间tdel延迟，从而通过比较器提供短路检测使能信号VSC,en，如图10所示。如果逻辑门33由从信号延迟电路32接收的短路检测使能信号VSC,en使能，由比较器电路3A输出的比较器输出信号VLS,c则可以经由逻辑门33作为短路检测信号VSC被供应给栅极驱动器电路5的输入端SC。在可能的实施方式中，逻辑门33可以包括与门，其接收由比较器电路3A输出的比较器输出信号VLS,c作为第一输入并且接收由设置在使能SC检测电路3B内的信号延迟电路32的比较器输出的短路检测使能信号VSC,en作为第二输入信号。与门33的输出可以连接到栅极驱动器电路5的输入端SC以传送短路检测信号VSC。
在可能的实施例中，由栅极驱动器电路5施加到栅极控制的功率开关4的栅极端子G的栅极控制信号VG可以包括从信号源(特别是从微控制器)接收的任何调制脉冲或信号，特别是脉冲宽度调制(PWM)信号，也如图4所示。当栅极控制的功率开关4的自动关断已经由栅极驱动器电路5执行时，栅极驱动器电路5可以生成故障指示信号FLT。在图4所示的实施例中，供应给比较器电路3A的基准电压Vref可以包括可以从测量信号VLS,m的稳态电压导出的内部基准电压。在替代实施例中，基准电压Vref也可以由单独的基准电压源生成。
栅极控制的功率开关4可以包括驱动器源极引脚，诸如如图4所示的功率源极引脚S。两个引脚之间的杂散电感LS是机械互连的结果，并且可以在几纳亨的范围内。在栅极控制的功率开关4的开关瞬态期间，即在栅极控制的功率开关4的接通和关断期间，流过栅极控制的功率开关4的电流ID确实在纳秒范围内快速变化并且因此具有沿着引脚S、S'之间的杂散电感LS的电压降ΔVLS如下：
VlS＝LSxdID/dt
通过测量测量信号VLS,m得到漏极电流ID是否从正常操作状况快速变化以及关于其持续时间的信息。随着电流的缓慢变化，测量信号VLS,m接近0V。图5示出了在栅极控制的功率开关4的接通瞬态期间的波形的示例。在时间t0和t1之间，电流ID确实从零增加到其标称值(dI/dt>>0)，该标称值通常在几纳秒的范围内持续。测量信号VLS,m根据上面给出的等式增加。在时间t1和t2期间，电流ID减小(dI/dt<<0)，并且测量信号VLS,m确实将其极性从正改变为负。在栅极控制的功率开关4的正常操作状况下，开关时间段(t1-t0)是有限的并且是已知的。在栅极控制的功率开关4的接通状态下(t>t2)，电流ID确实根据其负载缓慢增加，并且dID/dt接近零，导致测量信号VLS,m近似接近0V，如图5所示。
在如图3A所示的短路场景的情况下，电流ID的开关时间(t1-t0)确实急剧增加，并且其反映在电压降VLS的持续时间中。在接通瞬态期间，VLS,m的长持续时间(即，比正常情况更长)可以用作第一开关场景的指标，即，短路类型SC1是如图3A中示意性地示出的硬开关故障HSF。在如图3B所示的另一短路场景SC2(即负载下故障FUL)的情况下，当装置已经经过开关时间(t>t2)时，电流ID确实快速增加(dI/dt>>0)，并且因此测量信号VLS,m确实也增加。在时间t>t2内VLS,m的任何增量都可以用作这种故障的指标。在可能的实施例中，VLS,m的持续时间可以用于检测如图3A所示的短路类型SC1或图3B所示的短路类型SC2。
在可能的实施例中，测量信号VLS,m可以使用如图4的电路图中所示的框2中实施的简单电路来测量和调整。由测量电路2输出的测量信号VLS,m可以与基准电压VLS,ref进行比较，如图4所示。基准电压VLS,ref的值可以略高于测量信号VLS,m的稳态值。比较器3A的输出信号，即比较器输出信号VLS,c，可以是方形信号，其具有与测量信号VLS,m的持续时间成比例并且因此与电流ID的持续时间成比例的持续时间，也如图6的信号图中示意性地图示的。在该实施例中，比较器输出信号VLS,c可以用作短路SC的指标。在图6的信号图中图示了该过程在接通瞬态期间的示例。
在优选实施例中，只有在观察到的栅极控制的功率开关4的接通状态期间才激活短路检测方法。因此，只有所提供的测量信号VLS,m确实超过基准电压VLS,ref并且只有栅极控制的功率开关4同时处于接通状态才生成短路检测信号VSC。因此，在可能的实施例中，只有在栅极控制的功率开关4的接通状态时段期间才激活根据本发明的短路检测方法。在可能的实施例中，该方法通过使用栅极驱动器电路5的输出信号(即，如图4所示的栅极驱动器信号VG)被使能。可以测量该电压VG并且可以在由栅极驱动器电路5输出的栅极控制信号VG的正沿之后的几纳秒将使能信号VSC,en设置为高，以避免在接通瞬态期间的伪阳性检测。在可能的实施例中，在栅极控制信号VG的正沿和使能信号之间的延迟时间tdel是可调节的，并且可以取决于栅极控制的功率开关4在正常操作期间的开关时间。因此，在优选实施例中，由根据本发明的方法提供的短路检测在栅极控制的功率开关4的正常开关瞬态所需的时间之后被使能。
图7示出了用于使短路检测在栅极控制的功率开关4的接通瞬态期间使能的过程的波形。在所图示的示例中，栅极控制的功率开关4利用栅极控制信号VG接通电压VGon被接通，并且利用栅极控制关断电压VGoff被关断。延迟时间tdel被定义为时间t0和时间t4之间的时间段，如图7所示。因此，在所图示的示例中，在时间t＝t4之后，根据本发明的短路检测方法被使能。
图8示出了当与正常操作nOP(虚线)相比时在第一类型SC1的短路情况下根据本发明的短路检测方法的示例性波形。在所图示的示例中，栅极控制的功率开关4在时间t＝t0处接通，并且来自栅极驱动器电路5的输出信号从VGoff跃升到VGon，即，从栅极控制信号的关断电压跃升到接通电压。同时，流过栅极控制的功率开关4的电流ID以及测量信号VLS,m开始上升。如果测量信号VLS,m高于基准电压VLS,ref，比较器输出信号VLS,c也设置为高(在t＝t1处)。在时间t＝t2处，已经经过延迟时间tdel，并且根据本发明的短路检测机构被激活，从而将使能信号VSC,en设置为高电平。由于在时间t>t2处的短路SC，电流ID仍然上升，并且因此信号VLS,c与无故障情况相比仍然是高的。信号VLS,c(即比较器输出信号)和短路检测使能信号VSC,en两者都处于高电平，这是发生的短路SC的指标。因此，故障信号(即短路检测信号VSC)也被设置为高，指示检测到发生的短路SC。在可能的实施例中，信号VSC可以被锁存达确定的且可调节的时间。
图9示出了当与正常操作nOP(虚线)相比时用于第二类型SC2的短路的短路检测的示例性波形。在第二类型II的短路(SC2)确实发生的情况下，根据本发明的快速短路检测方法确实以与在第一类型的短路SC1的情况下类似的方式操作。在图9中呈现了第二类型的短路场景SC2的示例，其中以虚线描绘正常操作期间的电流ID。在这种情况下，不存在延迟时间tdel，并且使能信号已经是高的。因此，来自信号VSC,c的任何脉冲都可以触发检测，并将故障信号(即短路检测信号VSC)设置为高值。因此，第二场景SC2中的短路的检测由于不存在使能延迟时间tdel而比第一短路场景SC1中的短路的检测更快。
图10示出了根据本发明的短路检测设备1的可能示例性实施方式。短路检测设备1用于如图10所示的栅极控制的功率开关4处的短路检测。短路检测设备1包括测量电路2和短路检测信号生成电路3。在可能的实施例中，栅极控制的功率开关4的杂散电感LS两端的电压降ΔVLS使用由电阻器R1、R2和电容器C1、C2组成的补偿分压器来测量，如图10所示。
利用测量电路2的补偿分压器，电容器C1、C2的电容和电阻可以由下式给出：
Rl x Cl＝R2 x C2
在可能的实施方式中，测量电路2的分压器可以被设计为具有在-2.5至2.5V的范围内的电压VLS,1。偏置电压Vbias可以被添加到该电压VLS,1以产生偏移，从而避免在电路中使用任何负电源。可以使用如图10的电路图中所示的高频运算放大器将所得到的电压放大2倍。运算放大器的输出形成具有2.5V的稳态电压的可以在从0至5V的范围内的测量信号VLS,m。在栅极控制的功率开关4的接通瞬态期间，电流dI/dt的高正变化产生在0至2.5V范围内的电压降VLS,m，因为在所图示的实施例中，引脚S'形成所图示的电路的接地。在图10所示的实施例中，可以借助于如图10所示的比较器电路3A将测量信号VLS,m与自生成的基准电压Vref进行比较。在图10所示的实施例中，基准电压Vref包括从测量信号VLS,m的稳态电压导出的内部基准电压。在可能的实施方式中，基准电压VLS,ref可以是测量信号VLS,m的稳态电压的约90％。在这种情况下，基准电压VLS,ref为约2.25V，并且由于图10中所示的电容器C3而稳定。因此，在所图示的实施例中，测量电路2还用于生成从测量信号VLS,m的稳态电压导出并且被供应给短路检测信号生成电路3的比较器电路3A的内部基准电压。在这种的简单自生成且稳定的基准电压Vref中，可以控制集成电路和诸如杂散电感LS或无源部件的部件的公差和温度的任何影响。在正的且高的电流增加或变化dI/dt确实发生的情况下，测量信号VLS,m确实降至所导出的基准电压Vref以下，并且比较器电路3A生成处于高信号电平的比较器输出信号VLS,c。
在优选实施例中，只有在栅极控制的功率开关4的接通状态期间才激活短路SC检测。可以使用短路检测信号生成电路3的使能SC检测电路3B内的具有电阻器R9、R10的简单分压器电路31来测量和调节栅极驱动器电路5的输出电压。所得到的信号VG,m可以在0V至5V的范围内。在图10所示的实施方式中，信号延迟电路32包括低通滤波器LPF，该低通滤波器LPF可以由用于提供延迟时间tdel的电阻器Rdel和电容器Cdel组成。如图10的电路中所示，低通滤波器VG,1的经滤波的输出信号可以通过信号延迟电路32的比较器与基准电压Vref,del进行比较，以生成短路检测使能信号，该短路检测使能信号被供给形成短路检测信号生成电路3的一部分的短路检测信号生成电路3B的逻辑门33。一旦短路检测使能信号VSC,en被设置为高，故障信号(即短路检测信号VSC)就可以被由比较器电路3A输出的比较器输出信号VLS,c触发，从而检测已经在栅极控制的功率开关4处发生的短路。
图11示出了图示使能SC检测电路3B的操作的示例性波形。在所图示的实施例中，逻辑门33由与逻辑门形成。在该实施例中使用的部件可以适用于具有在小于10纳秒的范围内的极低传播延迟时间的高频。
图12A、图12B、图12C示出了第一类型的短路场景SC1的实验结果。图12A示出了漏极电流ID，图12B图示了漏极源极电压VDS，并且图12C图示了栅极电压VGS。常规方法可以在950纳秒之后检测短路SC，并且总耐受时间tSC,desat可以为约1.15微秒。相比之下，根据本发明的快速短路检测方法FSCP可以通过开始软关断过程在短路SC已经发生之后大约200纳秒检测短路SC。总耐受时间tSC,FSCP仅为约300纳秒，即比常规检测方法快约四倍。
在图13A、图13B的信号图中图示了另一个短路检测场景SC2的实验结果。图13A在顶部示处出了栅极控制的功率开关4处的漏极电流以及漏极源极电压，并且在底部上示出了栅极源极电压。如图13A所示，利用根据本发明的快速短路检测方法，可以实现大约54纳秒的检测时间，其中总短路耐受时间tSC,FSCP仅为约150纳秒。相比之下，如图13B所示，利用常规检测方法，它仅可以在450纳秒之后被检测到，具有约750纳秒的总时间。因此，根据本发明的快速短路检测方法在第二短路场景SC2中比常规方法快约五倍。
根据本发明的快速短路检测方法不干扰栅极控制的功率开关4的正常开关瞬态。为了测试这一点，已经利用80毫欧姆且1200V的SiC MOSFET装置4执行标准双脉冲测试。栅极控制的功率开关4的最大峰值电流为60A(取自数据表)。在图14的信号图中示出了实验结果。图14的顶部部分示出了漏极源极电压。图14的底部部分示出了栅极电压。DC链路电压为600V，并且漏极电流大于60安培，并且没有假阳性是可行的。这确实确认了根据本发明的快速短路检测方法与栅极控制的功率开关4的正常操作的兼容性。
Claims (19)
1.一种用于栅极控制的功率开关(4)处的短路检测的短路检测设备(1)，所述设备(1)包括
-测量电路(2)，其用于响应于沿着所述栅极控制的功率开关(4)的杂散电感LS的电压降ΔVLS而生成测量信号VLS,m，以及
-短路检测信号生成电路(3)，其用于在所述测量信号VLS,m超过基准电压Vref并且所述栅极控制的功率开关(4)处于接通状态的情况下生成短路检测信号VSC。
2.根据权利要求1所述的短路检测设备，其中，所述测量电路(2)连接到集成在封装中的所述栅极控制的功率开关(4)，所述栅极控制的功率开关(4)包括Kelvin源极引脚(S')，该Kelvin源极引脚(S')用于通过所述短路检测设备(1)的所述测量电路(2)分接沿着所述栅极控制的功率开关(4)的所述杂散电感LS的所述电压降。
3.根据权利要求1所述的短路检测设备，其中，所述测量电路(2)连接到所述栅极控制的功率开关(4)的所述Kelvin源极引脚(S")和源极引脚(S)。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的短路检测设备，其中，所述栅极控制的功率开关(4)包括MOSFET，特别是SiC MOSFET或GaN MOSFET或HEMT。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的短路检测设备，其中，所述短路检测信号生成电路(3)包括比较器电路(3A)，所述比较器电路(3A)用于将由所述测量电路(2)生成的测量信号VLS,m与所述基准电压Vref进行比较，以生成比较器输出信号VLS,c。
6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的短路检测设备，其中，所述短路检测信号生成电路(3)包括使能短路SC检测电路(3B)，所述使能短路SC检测电路(3B)具有：
分压器电路(31)，其用于测量由栅极驱动器电路(5)输出并供应给所述栅极控制的功率开关(4)的栅极端子(G)的栅极控制信号VG的输出电压，以提供测量的栅极电压VG,m，
信号延迟电路(32)，其用于以延迟时间tdel延迟所述测量的栅极电压VG,m，以提供短路检测使能信号VSC,en，并且具有逻辑门(33)，其中，在所述逻辑门(33)被从所述信号延迟电路(32)接收的所述短路检测使能信号VSC,en使能的情况下，由所述比较器电路(3A)输出的所述比较器输出信号VLS,c经由所述逻辑门(33)作为所述短路检测信号VSC被供应给所述栅极驱动器电路(5)的输入端(SC)。
7.根据权利要求6所述的短路检测设备，其中，所生成的短路检测信号VSC被供应给所述栅极驱动器电路(5)的输入端(SC)，以在关断时段内触发所述栅极驱动器电路(5)对所述栅极控制的功率开关(4)的自动关断。
8.根据权利要求7所述的短路检测电路，其中，由所述栅极驱动器电路(5)输出并经由栅极电阻器施加到所述栅极控制的功率开关(4)的栅极端子(G)的栅极控制信号VG的输出电压，借助于形成所述短路检测信号生成电路(3)的一部分的所述使能短路SC检测电路(3B)的所述分压器电路(31)来测量，以提供所述栅极驱动器电路(5)的所述测量的输出电压VG,m。
9.根据前述权利要求6至8中任一项所述的短路检测电路，其中，由所述栅极驱动器电路(5)施加到所述栅极控制的功率开关(4)的所述栅极端子(G)的所述栅极控制信号VG包括从微控制器接收的调制信号。
10.根据前述权利要求1至9中任一项所述的短路检测电路，其中，所述基准电压Vref包括从由所述测量电路(2)生成的所述测量信号VLS,m的稳态电压导出的内部基准电压。
11.一种用于检测栅极控制的功率开关(4)处的短路SC的快速短路检测方法，所述方法包括以下步骤：
(a)响应于沿着所述栅极控制的功率开关(4)的杂散电感LS的电压降ΔVLS而提供(S1)测量信号VLS,m，以及
(b)在所提供的测量信号VLS,m超过基准电压Vref并且所述栅极控制的功率开关(4)处于接通状态的情况下生成(S2)短路检测信号VSC。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述杂散电感LS包括在所述栅极控制的功率开关(4)的源极端子S与Kelvin源极端子之间的杂散电感。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，通过比较器电路(3A)将由测量电路(2)生成的所述测量信号VLS,m与所述基准电压Vref进行比较，以生成比较器输出信号VLS,c。
14.根据前述权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，所生成的短路检测信号VSC被供应给栅极驱动器电路(5)的输入端(SC)，以在关断时段内触发所述栅极驱动器电路(5)对所述栅极控制的功率开关(4)的自动关断。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，由所述栅极驱动器电路(5)输出并经由栅极电阻器施加到所述栅极控制的功率开关(4)的栅极端子(G)的栅极控制信号VG的输出电压借助于分压器电路(31)来测量，以提供所述栅极驱动器电路(5)的测量的输出电压VG,m。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过信号延迟电路(32)以延迟时间tdel延迟所述栅极驱动器电路(5)的测量的栅极电压VG,m，以提供短路检测使能信号VSC,en。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在逻辑门(33)被从所述信号延迟电路(32)接收的所述短路检测使能信号VSC,en使能的情况下，所述比较器输出信号VLS,c经由所述逻辑门(33)作为所述短路检测信号VSC被供应给所述栅极驱动器电路(5)的所述输入端(SC)。
18.根据前述权利要求10至17中任一项所述的方法，其中，由所述栅极驱动器电路(5)施加到所述栅极控制的功率开关(4)的所述栅极端子(G)的所述栅极控制信号VG包括从微控制器接收的调制信号。
19.根据前述权利要求10至18中任一项所述的方法，其中，所述基准电压Vref包括从所述测量信号VLS,m的稳态电压导出的内部基准电压。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/IB2021/052690 WO2022208136A1 (en) | 2021-03-31 | 2021-03-31 | Method and apparatus for fast short circuit detection of a short circuit at a gate-controlled power switch |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117099004A true CN117099004A (zh) | 2023-11-21 |
Family
ID=75530097
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202180096654.7A Pending CN117099004A (zh) | 2021-03-31 | 2021-03-31 | 用于栅极控制的功率开关处的短路的快速短路检测的方法和设备 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240019501A1 (zh) |
| JP (1) | JP2024514094A (zh) |
| CN (1) | CN117099004A (zh) |
| DE (1) | DE112021007000T5 (zh) |
| WO (1) | WO2022208136A1 (zh) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5315155B2 (ja) * | 2009-07-23 | 2013-10-16 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 半導体素子制御装置、車載用電機システム |
-
2021
- 2021-03-31 CN CN202180096654.7A patent/CN117099004A/zh active Pending
- 2021-03-31 DE DE112021007000.2T patent/DE112021007000T5/de active Pending
- 2021-03-31 WO PCT/IB2021/052690 patent/WO2022208136A1/en active Application Filing
- 2021-03-31 JP JP2023560447A patent/JP2024514094A/ja active Pending
-
2023
- 2023-09-28 US US18/476,574 patent/US20240019501A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022208136A1 (en) | 2022-10-06 |
| DE112021007000T5 (de) | 2023-11-30 |
| US20240019501A1 (en) | 2024-01-18 |
| JP2024514094A (ja) | 2024-03-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10224920B2 (en) | Soft shutdown modular circuitry for power semiconductor switches | |
| US10254327B2 (en) | Method and device for short circuit detection in power semiconductor switches | |
| US10840904B2 (en) | DV/DT self-adjustment gate driver architecture | |
| US6967519B2 (en) | Drive circuit for a power semiconductor device | |
| US7463079B2 (en) | Short circuit protection by gate voltage sensing | |
| US20190140630A1 (en) | GaN TRANSISTOR WITH INTEGRATED DRAIN VOLTAGE SENSE FOR FAST OVERCURRENT AND SHORT CIRCUIT PROTECTION | |
| US10084390B2 (en) | Power converter, short circuit protection circuit, and control method | |
| CN112838746A (zh) | 具有集成米勒钳位器的栅极驱动器 | |
| US10181847B2 (en) | Ring amplitude measurement and mitigation | |
| US20140049866A1 (en) | Method for Controlling a Transistor and Control Circuit | |
| JP2015139271A (ja) | 半導体駆動装置ならびにこれを用いた電力変換装置 | |
| US11519954B2 (en) | Apparatus and method to achieve fast-fault detection on power semiconductor devices | |
| US10917081B1 (en) | Adjustable soft shutdown and current booster for gate driver | |
| US20150365083A1 (en) | Circuit and method for driving a power semiconductor switch | |
| CN111656686B (zh) | 开关运行模式中运行的场效应晶体管针对过载电流的保护 | |
| US20190280473A1 (en) | Control device and semiconductor device | |
| JPH0691741B2 (ja) | 電力変換器 | |
| US11601054B2 (en) | Power semiconductor device protection circuit and power module | |
| US11942927B2 (en) | Method and device for short-circuit detection by saturation detection in power semiconductor switches | |
| Kohlhepp et al. | Measurement of dynamic on-state resistance of high-voltage GaN-HEMTs under real application conditions | |
| CN117099004A (zh) | 用于栅极控制的功率开关处的短路的快速短路检测的方法和设备 | |
| CN115955229A (zh) | 栅极驱动器 | |
| EP3930192A1 (en) | Power switch short circuit protection | |
| Min et al. | An Ultrafast Desaturation-Based Protection Circuit for GaN HEMTs | |
| US20240219449A1 (en) | Semiconductor device and overcurrent protection device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |