CN111244883A - 综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路及保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路及保护方法，该电路包括逻辑处理电路、栅极电荷比较电路、栅极电压比较电路及驱动电路；通过对比栅极电荷比较电路和栅极电压比较电路输出的逻辑信号，判断SiC MOSFET是否发生短路；当发生短路时，栅极电压比较电路与栅极电荷比较电路先后输出高电平，逻辑电路将SiC MOSFET的栅极箝位至驱动负压，从而实现开关管的快速关断，在开关管完全开通前抑制短路电流。本发明降低了短路故障对器件的损害，不影响SiC MOSFET发挥高速开关的性能优势，确保不会影响SiC MOSFET的正常工作。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种综合对比栅极电荷和电压的SiCMOSFET短路保护电路及保护方法。
背景技术
与传统硅(Si)器件相比，碳化硅(SiC)器件具有更宽的禁带宽度、更高的热导率、更高的临界场强以及更快的饱和电子迁移速率，其导通压降低、开关速度快，具有耐高温、耐高压的特点，因而在航空航天、混合电动车辆、太阳能逆变器、功率因数校正、UPS和电机驱动领域均有很大应用前景。
然而，在实际应用中，一方面，功率器件不可避免的会工作在过载、短路等非正常工作状态下，而保护电路从检测到动作存在一定的延时，这就要求功率器件必须具备一定的过载和短路能力，即能够承受一定的故障时间。同时，保护电路必须在功率器件所能承受故障时间内清除故障，以避免功率器件的损坏。另一方面，由于器件本身的构造，SiCMOSFET栅极氧化层厚度比Si MOSFET更薄，短路故障时氧化层界面稳定性更低，不利于SiCMOSFET长期可靠工作。此外，SiC MOSFET管芯面积小、电流密度大，其短路能力更弱，短路承受时间更短，给SiC MOSFET短路保护设计带来极大的挑战。
传统短路保护方法之一是检测SiC MOSFET的漏源电压，在正常情况下，漏源电压下降到饱和电压速度比较缓慢，因此用这种方法检测硬开关故障需要较长的消隐时间。传统短路保护方法之二是漏极电流监测法，但由于需要电流互感器等电流传感器，限制了电流检测的带宽，并不是一种经济有效的方法。这些方法在检测SiC MOSFET短路故障的同时，存在精度较低、故障持续时间被延长和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：为解决现有技术存在精度低、反应时间长、成本高等问题，本方提供一种综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路及保护方法。
技术方案：本发明提供一种综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路，应用于在SiC MOSFET开通过程中，检测SiC MOSFET是否短路该电路包括:逻辑处理电路、栅极电荷比较电路、栅极电压比较电路及驱动电路。
所述栅极电压比较电路的输入端连接SiC MOSFET管的栅极，输出端连接逻辑处理电路的第一输入端；所述栅极电荷比较电路的第一输入端与SiC MOSFET管的栅极连接；第二输入端与驱动电路的输出端连接；栅极电荷比较电路的输出端连接逻辑处理电路的第二输入端；所述逻辑处理电路的输出端与驱动电路的输入端连接；
所述栅极电荷比较电路对SiC MOSFET管的栅极上的驱动电流进行放大，并进行积分运算，并将积分运算后的输出与第一预设电压进行比较，从而输出逻辑控制信号至逻辑处理电路；栅极电压比较电路将SiC MOSFET管的栅极电压与第二预设电压进行比较，并输出逻辑控制信号至逻辑处理电路；所述逻辑处理电路根据收到的逻辑控制信号判断SiCMOSFET管是否短路，若是短路，逻辑处理电路控制驱动电路输出低电平，从而通过驱动电路控制SiC MOSFET的关断；若不存在短路，则控制驱动电路输出高电平保证SiC MOSFET管的正常运作。
进一步的，所述栅极电荷比较电路包括：驱动电阻，第一～五电阻，第一、二运算放大器、第一电容，第一比较器；驱动电阻的一端作为栅极电荷比较电路的第二输入端，与驱动电路输出端、第一电阻的一端相连，驱动电阻的另一端作为栅极电荷比较电路的第一输入端，与SiC MOSFET栅极、第二电阻一端相连；第一电阻的另一端与第一运算放大器的负输入端、第四电阻一端连接；第二电阻的另外一端与第一运算放大器的正输入端、第三电阻的一端连接；所述第三电阻的另外一端接地；所述第四电阻的另外一端、第一运算放大器的输出端均连接第五电阻的一端；第五电阻的另外一端与第一电容的一端、第二运算放大器的负输入端连接；第二运算放大器的正输入端接地；第一电容的另外一端、第二运算放大器的输出端均连接第一比较器的负输入端；所述第一比较器的正输入端连接第一预设电压；所述第一比较器的输出端作为栅极电荷比较电路的输出端，连接逻辑处理电路的第二输入端。
进一步的，所述栅极电压比较电路包括第二比较器；所述第二比较器的正输入端与SiC MOSFET管的栅极连接，负输入端连接第二预设电压；输出端与驱动电路的第一输入端连接。
进一步的，所述逻辑处理电路包括：第一、二与门、第一、二非门、第一、二或非门；所述第二与门的第一输入端为逻辑处理电路的第一输入端，第二输入端为逻辑处理电路的第二输入端；所述第二与门的输出端与第二或非门的第二输入端连接；所述第二或非门的第一输入端与第一或非门的输出端连接；第二或非门的输出端与第一或非门的第二输入端连接；第一或非门的输出端与第二非门的输入端连接；第二非门的输出端与第一与门的第二输入端连接；第一与门的输出端为逻辑处理电路的输出端；第一与门的第一输入端与输入SiC MOSFET管的PWM驱动信号、第一非门的输入端连接；第一非门的输出端与第一或非门的第一输入端连接。
进一步的，所述驱动电路包括：第一、二开关管；所述第一开管为NPN型三极管或NMOS管；当第一开关管采用NPN型三极管时，第二开关管采用PNP型三极管；当第一开关管采用NMOS管时，第二开关管采用PMOS管；第一开关管的集电极/漏极接正电源；第一开关管的基极/栅极作为驱动电路的输入端，且与第二开关管的基极/栅极连接；第一开关管的发射极/源极作为驱动电路的输出端，且与第二开关管的发射极/源极连接；第二开关管的集电极/漏极接负电源。
综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路的保护方法，其特征在于，当SiC MOSFET发生硬开关故障时，开通瞬间驱动电流持续输出，驱动电荷累积增加，栅极电压比较电路输出高电平，栅极电荷比较电路输出高电平，逻辑控制电路通过输入的逻辑信号判断SiC MOSFET发生短路，从而使得驱动电路输出低电平，加速SiC MOSFET的关断。
有益效果：
(1)在硬开关故障出现时，栅极电压和栅极电荷比较电路将信号输送至逻辑电路，逻辑电路判断出故障后迅速关断功率管，防止串扰电压引起误导通；
(2)通过比较栅极电压和栅极电荷与预设值的先后逻辑顺序，作为功率管短路判断依据，能够避免传统方式中判断依据过少导致误判的情况；
(3)本发明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为本发明中SiC MOSFET短路保护电路；
图2为本发明中正常开通时和硬开关短路故障时的栅极电压和栅极电荷波形图；
图3为本发明中SiC MOSFET正常开通时典型波形；
图4为本发明中硬开关短路故障下SiC MOSFET开通时典型波形。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
如题1所示，本实施例提供一种综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路，包括：逻辑处理电路、栅极电荷比较电路、栅极电压比较电路及驱动电路。本实施例中SiC MOSFE的栅极最高电压为18V。
所述逻辑处理电路包括：第一与门UAND1、第一非门UINV1、第二非门UINV2、第一或非门UNOR1、第二或非门UNOR2、第二与门UAND2。其中，第一与门UAND1的第一输入端与PWM驱动信号输出端、第一非门UINV1输入端相连，第一与门UAND1的第二输入端与第二非门UINV2的输出端相连，第一与门UAND1的输出端与驱动电路的输入端相连。第一非门UINV1的输出端与第一或非门UNOR1的第一输入端相连。第二非门UINV2的输入端与第一或非门UNOR1的输出端、第二或非门UNOR2的第一输入端相连，第一或非门UNOR1的第二输入端与第二或非门UNOR2的输出端相连。第二与门UAND2的第二输入端与栅极电荷比较电路的输出端相连，第二与门UAND2的第一输入端与栅极电压比较电路的输出端相连，第二与门UAND2的输出端与第二或非门UNOR2的第二输入端相连。
所述栅极电荷比较电路包括：驱动电阻RG，第一电阻R1，第二电阻R2，第一运算放大器UOPA1、第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第二运算放大器UOPA2、第一电容C1，第一比较器UCOMP1、预设等效电荷源Qref(所述预设等效电荷源为第一预设电压，本实施例中第一预设电压为3V)；驱动电阻RG的一端与驱动电路输出端、第一电阻R1一端相连，驱动电阻RG的另一端与SiC MOSFET栅极、第二电阻R2一端相连。第一运算放大器UOPA1的负输入端与第一电阻R1另一端、第四电阻R4一端相连，第一运算放大器UOPA1的正输入端与第二电阻R2另一端、第三电阻R3一端相连，第一运算放大器UOPA1的输出端与第四电阻R4另一端、第五电阻R5一端，第三电阻R3另一端与地相连。第二运算放大器UOPA2的负输入端与第五电阻R5另一端、第一电容C1一端相连，第二运算放大器UOPA2的正输入端与地相连，第二运算放大器UOPA2的输出端与第一比较器的负输入端、第一电容C1另一端相连，第一比较器的正输入端与预设等效电荷源Qref正极相连，预设等效电荷源Qref负极与地相连，第一比较器的输出端与逻辑处理电路中的第二与门UAND2的第二输入端相连。
所述栅极电压比较电路包括：第二比较器UCOMP2、第二预设电压Uref(本实施例中第二预设电压为12.8V)。第二比较器UCOMP2的负输入端与预设电压源Uref正极相连，预设电压源Uref负极与地相连，第二比较器UCOMP2的正输入端与SiC MOSFET栅极相连，第二比较器UCOMP2的输出端与逻辑处理电路中的第二与门UAND2的第一输入端相连。
所述驱动电路包括：第一开关管Q1，第二开关管Q2。当第一开关管采用NPN型三极管时，第二开关管采用PNP型三极管；当第一开关管采用NMOS管时，第二开关管采用PMOS管；第一开关管Q1的集电极(漏极)接驱动正电源VCC，第一开关管Q1的基极(栅极)与第二开关管Q2的基极(栅极)、逻辑处理电路第一与门的输出端相连，第一开关管Q1的发射极(源极)与第二开关管Q2的发射极(源极)、栅极电荷比较电路中的驱动电阻RG的一端相连，第二开关管Q2的集电极(漏极)与驱动负电源VEE相连。
一种综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路的保护方法，具体结合图2、图3、图4分析工作原理。
栅极电荷比较电路中的第一运算放大器UOPA1与第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4构成比例放大电路，驱动电阻RG上的电压降经过放大后，输入由第二运算放大器UOPA2、第五电阻R5、第一电容C1组成的积分电路，并输出与电荷量等效的电压QG。第一比较器UCOMP1比较驱动电荷QG与预设等效电荷值Qref，同时，栅极电压比较电路中的第二比较器UCOMP1比较SiC MOSFET栅极电压UG与第二预设电压Uref。
SiC MOSFET正常开通过程中，由截止区进入饱和区再进入线性区，栅极电压UG与栅极电荷QG的变化如图2(驱动电压经过驱动电阻对SiC MOSFET栅极进行充电，栅极电荷QG不断累积，栅极电压UGS不断升高。SiC MOSFET栅极电荷上升到Q1时进入密勒平台，对应栅极电压为Umiller1；栅极电荷上升到Q3时密勒平台结束，对应栅极电压为Umiller2；SiC MOSFET完全开通时栅极电荷为Q4，对应栅极电压为UD)。由于寄生电容的存在，开通过程中栅极电压UG会出现米勒平台，如图3(UDS为漏源电压，UGS为栅源电压，ID为漏极电流。SiC MOSFET栅极开始充电时进入阶段1，至阶段2进入密勒平台SiC MOSFET开始导通，至阶段3退出密勒平台SiC MOSFET基本导通，阶段3结束SiC MOSFET完全导通。)。密勒平台的出现，使得SiCMOSFET的栅极电压UG在上升过程中斜率变缓，驱动电荷QG首先达到预设等效电荷Qref，此时栅极电荷比较电路输出低电平。栅极电压比较电路中SiC MOSFET栅极电压UG未达到Uref，输出低电平。
逻辑处理电路中第二与门UAND2的第一输入端与第二输入端均为低电平，输出低电平。第一或非门UNOR1与第二或非门UNOR2组成RS触发器，S输入端输入低电平，R端输入驱动信号低电平，Q输出端信号为低电平，经过第二非门UINV2输出高电平至第一与门UAND1，使能驱动信号。
当SiC MOSFET完全开通后，SiC MOSFET栅极电压UG达到Uref，输出高电平。第二与门UAND2的第一输入端为高电平，第二输入端为低电平，仍输出低电平。经过第一或非门UNOR1与第二或非门UNOR2组成RS触发器后，输出高电平至至第一与门UAND1，不影响原有驱动信号。
逻辑控制电路通过比较栅极电荷比较电路和栅极电压比较电路输出的电平，判断出是否发生短路，若发生短路，使驱动电路输出低电平，加速SiC MOSFET的关断，从而抑制硬开关短路故障。
当SiC MOSFET发生硬开关故障时，开通瞬间由截止区进入饱和区并保持工作在饱和区，栅极电压UG与栅极电荷QG的变化如图2。驱动电压经过驱动电阻对SiC MOSFET栅极进行充电，栅极电荷QG不断累积，栅极电压UGS不断升高。SiC MOSFET栅极电荷上升到Q1时，对应栅极电压为Umiller1。但不会进入密勒平台，栅极电荷继续上升至Q2，达到最大栅极电压UD。由于SiC MOSFET的漏极与源极短路，不再出现米勒平台，如图4。SiC MOSFET的栅极电压UG在上升过程中斜率不变，栅极电压比较电路中栅极电压UG先达到Uref，输出高电平。驱动电荷QG未达到预设等效电荷Qref，栅极电荷比较电路输出高电平。
逻辑处理电路中第二与门UAND2的第一输入端与第二输入端均为高电平，输出高电平。第一或非门UNOR1与第二或非门UNOR2组成的RS触发器，第二与门UAND2输出高电平至S输入端，R端输入驱动信号仍为低电平，Q输出端信号为高电平，经过第二非门UINV2输出低电平至第一与门UAND1，关断驱动信号。短路电流得到抑制，SiC MOSFET的短路保护电路生效。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，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 (6)
1.综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路，应用于在SiC MOSFET开通过程中，检测SiC MOSFET是否短路，其特征在于，包括:逻辑处理电路、栅极电荷比较电路、栅极电压比较电路及驱动电路；
所述栅极电压比较电路的输入端连接SiC MOSFET管的栅极，输出端连接逻辑处理电路的第一输入端；所述栅极电荷比较电路的第一输入端与SiC MOSFET管的栅极连接；第二输入端与驱动电路的输出端连接；栅极电荷比较电路的输出端连接逻辑处理电路的第二输入端；所述逻辑处理电路的输出端与驱动电路的输入端连接；
所述栅极电荷比较电路对SiC MOSFET管的栅极上的驱动电流进行放大，并进行积分运算，并将积分运算后的输出与第一预设电压进行比较，并输出逻辑控制信号至逻辑处理电路；栅极电压比较电路将SiC MOSFET管的栅极电压与第二预设电压进行比较，并输出逻辑控制信号至逻辑处理电路；所述逻辑处理电路根据收到的逻辑控制信号判断SiC MOSFET管是否短路，若是短路，逻辑处理电路控制驱动电路输出低电平，从而通过驱动电路控制SiCMOSFET的关断；若不存在短路，则控制驱动电路输出高电平保证SiC MOSFET管的正常运作。
2.根据权利要求1所述的综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路，其特征在于，所述栅极电荷比较电路包括：驱动电阻，第一～五电阻，第一、二运算放大器、第一电容，第一比较器；驱动电阻的一端作为栅极电荷比较电路的第二输入端，与驱动电路输出端、第一电阻的一端相连，驱动电阻的另一端作为栅极电荷比较电路的第一输入端，与SiCMOSFET栅极、第二电阻的一端相连；第一电阻的另一端与第一运算放大器的负输入端、第四电阻的一端连接；第二电阻的另外一端与第一运算放大器的正输入端、第三电阻的一端连接；所述第三电阻的另外一端接地；所述第四电阻的另外一端、第一运算放大器的输出端均连接第五电阻的一端；第五电阻的另外一端与第一电容的一端、第二运算放大器的负输入端连接；第二运算放大器的正输入端接地；第一电容的另外一端、第二运算放大器的输出端均连接第一比较器的负输入端；所述第一比较器的正输入端连接第一预设电压；所述第一比较器的输出端作为栅极电荷比较电路的输出端，连接逻辑处理电路的第二输入端。
3.根据权利要求1所述的综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路，其特征在于，所述栅极电压比较电路包括第二比较器；所述第二比较器的正输入端与SiCMOSFET管的栅极连接，负输入端连接第二预设电压；输出端与驱动电路的第一输入端连接。
4.根据权利要求1所述的综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路，其特征在于，所述逻辑处理电路包括：第一、二与门、第一、二非门、第一、二或非门；所述第二与门的第一输入端为逻辑处理电路的第一输入端，第二输入端为逻辑处理电路的第二输入端；所述第二与门的输出端与第二或非门的第二输入端连接；所述第二或非门的第一输入端与第一或非门的输出端连接；第二或非门的输出端与第一或非门的第二输入端连接；第一或非门的输出端与第二非门的输入端连接；第二非门的输出端与第一与门的第二输入端连接；第一与门的输出端为逻辑处理电路的输出端；第一与门的第一输入端与输入SiCMOSFET管的PWM驱动信号、第一非门的输入端连接；第一非门的输出端与第一或非门的第一输入端连接。
5.根据权利要求1所述的综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路，其特征在于，所述驱动电路包括：第一、二开关管；所述第一开管为NPN型三极管或NMOS管；当第一开关管采用NPN型三极管时，第二开关管采用PNP型三极管；当第一开关管采用NMOS管时，第二开关管采用PMOS管；第一开关管的集电极/漏极接正电源；第一开关管的基极/栅极作为驱动电路的输入端，且与第二开关管的基极/栅极连接；第一开关管的发射极/源极作为驱动电路的输出端，且与第二开关管的发射极/源极连接；第二开关管的集电极/漏极接负电源。
6.基于权利要求1所述的综合对比栅极电荷和电压的SiC MOSFET短路保护电路的保护方法，其特征在于，当SiC MOSFET处于开通过程中，且SiC MOSFET发生硬开关故障时，开通瞬间驱动电流持续输出，驱动电荷累积增加，栅极电压比较电路输出高电平，栅极电荷比较电路输出高电平，逻辑控制电路通过输入的逻辑信号判断出SiC MOSFET发生短路，从而使得驱动电路输出低电平，加速SiC MOSFET的关断。
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