CN114123099B - GaN HEMT器件过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于功率器件应用领域，具体涉及了一种GaN HEMT器件过流保护电路，旨在解决常规GaN HEMT器件的过流检测技术存在响应速度慢、抗干扰能力差、电路复杂、成本高的问题。本发明包括：待测GaN HEMT器件、有源钳位电路、电压信号处理电路、电压比较电路、驱动电路，通过采用电压钳位电路实现高速开关状态下GaN HEMT在导通阶段通态压降的精确测量，将测量值实时与器件过流保护阈值相比较，并进行保护动作。本发明具有结构简单、检测精度高、检测带宽高、可靠性高、抗干扰能力强的优点。

Description

GaN HEMT器件过流保护电路

技术领域

本发明属于功率器件应用领域，具体涉及了一种GaN HEMT器件过流保护电路。

背景技术

GaN HEMT器件由于其开关频率高、导通电阻低等优越特性，在高效、高频功率变换领域中有着广泛的应用前景。过流短路故障是导致GaN HEMT失效的重要原因之一。缺乏快速、可靠、低损耗的短路保护方法是限制GaN HEMT广泛应用的关键阻碍之一。

目前，针对GaN HEMT器件的过流检测方法主要是沿用硅基功率器件的传统方法，包括电流传感器检测、退饱和检测、分流器检测等。电流传感器检测可以实现功率回路和检测回路间的电气隔离，且具有可靠性高、温度稳定性好等优点，但是存在体积较大、带宽较低、价格较高的缺点；退饱和检测法通过检测GaN HEMT器件的管压降实现对过流的检测和保护，原理简单、成本低，但容易受开关过程中较大的开关振荡及串扰的影响，存在检测盲区；分流器检测法是通过检测电阻两端的电压实现对电流的检测，其原理简单、精度高、可靠性高，但在较大电流的应用中，会有比较大的功率损耗，引起较严重的发热问题。

GaN HEMT器件的高速开关特性和结构特点导致其短路承受能力较弱，而以上现有的技术无法适用于GaN HEMT器件的快速可靠保护。由于GaN HEMT器件在相同的额定电流容量下具有更小的芯片面积和更高的电流密度，与硅基功率器件相比，其短路承受能力更低，因此要求保护电路具有较快的检测和响应时间。另一方面，GaN HEMT比硅基功率器件具有更高的开关速度和更小的结电容，其高速开关下较高的dv/dt、di/dt会在信号检测和驱动回路中引入较大的串扰噪声，而过流检测的快速响应和较强的抗噪声能力是一对矛盾，这也成为GaN HEMT器件过流保护电路的设计难点之一。因此，如何实现GaN HEMT器件的准确、快速、可靠的电流检测和保护是目前GaN HEMT器件可靠应用的难点技术之一。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即常规GaN HEMT器件的过流检测技术存在响应速度慢、抗干扰能力差、电路复杂、成本高的问题，本发明提供了一种GaN HEMT器件过流保护电路，该GaN HEMT器件过流保护电路包括待测GaN HEMT器件、有源钳位电路、电压信号处理电路、电压比较电路、驱动电路；

所述待测GaN HEMT器件为单个GaN HEMT开关管或GaN HEMT功率模块；

所述有源钳位电路包括串联的钳位开关管和钳位电容，所述有源钳位电路与所述待测GaN HEMT器件并联，用于待测GaN HEMT器件导通状态下导通压降的精确测量；

所述电压信号处理电路为高速运放电路，所述高速运放电路与所述钳位电容并联，用于测量所述钳位电容两端的电压并对测量的电压信号进行滤波和放大处理；

所述电压比较电路用于将所述电压信号处理电路处理后的电压信号与所述待测GaN HEMT器件的过流保护阈值进行比较，并根据比较结果控制所述驱动电路的工作状态；

所述驱动电路用于驱动所述待测GaN HEMT器件和所述钳位开关管。

在一些优选的实施例中，所述钳位开关管的耐压值不小于与所述待测GaN HEMT器件的耐压值。

在一些优选的实施例中，所述钳位开关管，其导通时刻滞后于所述待测GaN HEMT器件，其关断时刻与所所述待测GaN HEMT器件相同。

在一些优选的实施例中，所述钳位电容的容值与所述钳位开关管寄生输出电容的容值的差值大于设定第一阈值。

在一些优选的实施例中，所述钳位电容的容抗值与所述钳位开关管的导通电阻值的差值大于设定第二阈值；

当所述待测GaN HEMT器件和所述钳位开关管导通时，所述待测GaN HEMT器件两端的电压施加在所述钳位电容的两端，从而精确测量所述待测GaN HEMT器件的导通压降。

在一些优选的实施例中，所述电压信号处理电路和所述电压比较电路为分立元件搭建的电路或者集成电路芯片。

在一些优选的实施例中，所述电压信号处理电路处理后的电压信号为所述待测GaN HEMT器件的导通压降。

在一些优选的实施例中，所述待测GaN HEMT器件的导通压降，还用于控制回路的电流反馈。

在一些优选的实施例中，所述驱动电路为一个具有两路输出的控制芯片或者两个分别具有一路输出的独立的驱动芯片。

在一些优选的实施例中，所述待测GaN HEMT器件，其关断状态下的漏源电压v_{DS_off}和导通状态下的导通压降v_{DS_on}分别为：

其中，v_C1和v′_c1分别为待测GaN HEMT器件关断状态和导通状态时钳位电容C₁两端的电压，Z_C1为钳位电容C₁的等效容抗，R_DM为电压信号处理电路中运算放大器的差模输入阻抗，Z_{Coss_S1}为钳位开关管S₁的寄生输出电容等效容抗，R_{DSon_S1}为钳位开关管S₁的导通电阻。

本发明的有益效果：

(1)本发明GaN HEMT器件过流保护电路，通过采用有源钳位电路实现高速开关下GaN HEMT器件在导通阶段的导通压降的准确测量，通过有源钳位电容的容抗远小于钳位开关管的寄生输出电容、而远大于其导通阻抗的特点，可实现对GaN HEMT器件导通压降的高精度检测，具有结构简单、检测精度高、检测带宽高的优点。

(2)本发明GaN HEMT器件过流保护电路，通过采用高速运放测量有源钳位电容两端的电压实现对GaN HEMT器件电流的精确检测，并通过电压比较电路实现对过流状态的判断，具有响应速度快、功耗小、成本低的优点。

(3)本发明GaN HEMT器件过流保护电路，有源钳位开关管滞后于待测GaN HEMT器件开通(即源钳位开关管相较于待测GaN HEMT器件延迟开通)，可以避开GaN HEMT器件在开通过程中的电压振荡，具有可靠性高、抗干扰能力强的优点。

(4)本发明GaN HEMT器件过流保护电路，由于GaN HEMT器件在不同温度下可承受的最大电流不同，通过检测GaN HEMT管压降的方法来判断器件状态，比直接检测GaN HEMT器件电流更能准确反应器件的工作运行状态，具有可靠性高、适用性强的优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明GaN HEMT器件过流保护电路一种实施例的电路结构示意图；

图2是本发明GaN HEMT器件过流保护电路一种实施例的典型开关波形图；

图3是本发明GaN HEMT器件过流保护电路一种实施例的GaN HEMT器件关断状态下的电流检测等效电路；

图4是本发明GaN HEMT器件过流保护电路一种实施例的GaN HEMT器件导通状态下的电流检测等效电路；

图5是本发明GaN HEMT器件过流保护电路一种实施例的Buck电路结构图；

图6是本发明GaN HEMT器件过流保护电路一种实施例的Buck电路波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种GaN HEMT器件过流保护电路，通过采用电压钳位电路实现高速开关状态下待测GaN HEMT器件在导通阶段通态压降的精确测量，将测量值实时与待测GaNHEMT器件过流保护阈值相比较，并进行保护动作。

本发明的一种GaN HEMT器件过流保护电路，该GaN HEMT器件过流保护电路包括待测GaN HEMT器件、有源钳位电路、电压信号处理电路、电压比较电路、驱动电路；

所述待测GaN HEMT器件为单个GaN HEMT开关管或GaN HEMT功率模块；

所述有源钳位电路包括串联的钳位开关管和钳位电容，所述有源钳位电路与所述待测GaN HEMT器件并联，用于待测GaN HEMT器件导通状态下导通压降的精确测量；

所述电压信号处理电路为高速运放电路，所述高速运放电路与所述钳位电容并联，用于测量所述钳位电容两端的电压并对测量的电压信号进行滤波和放大处理；

所述电压比较电路用于将所述电压信号处理电路处理后的电压信号与所述待测GaN HEMT器件的过流保护阈值进行比较，并根据比较结果控制所述驱动电路的工作状态；

所述驱动电路用于驱动所述待测GaN HEMT器件和所述钳位开关管。

在一些优选的实施例中，所述钳位开关管的耐压值不小于与所述待测GaN HEMT器件的耐压值。

为了更清晰地对本发明GaN HEMT器件过流保护电路进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。

本发明第一实施例的GaN HEMT器件过流保护电路，包括待测GaN HEMT器件1、有源钳位电路2、电压信号处理电路3、电压比较电路4、驱动电路5，各模块详细描述如下：

待测GaN HEMT器件1为单个GaN HEMT开关管或GaN HEMT功率模块。

有源钳位电路2包括串联的钳位开关管S₁和钳位电容C₁，有源钳位电路2与待测GaNHEMT器件1并联，用于待测GaN HEMT器件1导通状态下导通压降的精确测量。

钳位开关管S₁的耐压值不小于与待测GaN HEMT器件1的耐压值。即钳位开关管S₁的耐压值可以大于待测GaN HEMT器件1的耐压值，也可以等于待测GaN HEMT器件1的耐压值。

钳位开关管S₁，其导通时刻滞后于待测GaN HEMT器件1，其关断时刻与待测GaNHEMT器件1相同。钳位开关管S₁的导通时刻滞后于待测GaN HEMT器件1，可以避开待测GaNHEMT器件1在开通过程中的电压振荡。

如图2所示，为本发明GaN HEMT器件过流保护电路一种实施例的典型开关波形图，从波形图中的波形对比可以看出，钳位开关管S₁比待测GaN HEMT器件1延迟开通，以避开待测GaN HEMT器件1在开通过程中的电压振荡，钳位开关管S₁与待测GaN HEMT器件1同时关断。

钳位电容C₁的容值与钳位开关管S₁寄生输出电容的容值的差值大于设定第一阈值。这里设定第一阈值的数值很大，从而钳位电容C₁的容值远大于钳位开关管S₁寄生输出电容的容值，所以，钳位开关管S₁寄生输出电容的容值相较于钳位电容C₁的容值可忽略不计。因此在待测GaN HEMT器件1和钳位开关管S₁关断状态下，待测GaN HEMT器件1两端的电压主要施加在钳位开关管S₁的两端，钳位电容两端C₁的电压较低。

在开关频率下，钳位电容C₁的容抗值与钳位开关管S₁的导通电阻值的差值大于设定第二阈值；这里设定第二阈值的数值很大，从而钳位电容C₁的容抗值远大于钳位开关管S₁的导通电阻值，所以，钳位开关管S₁的导通电阻值相较于钳位电容C₁的容抗值可忽略不计。

当待测GaN HEMT器件1和钳位开关管S₁导通时，待测GaN HEMT器件1两端的电压施加在钳位电容C₁的两端，从而可以精确测量待测GaN HEMT器件1的导通压降。

电压信号处理电路3为高速运放电路，高速运放电路与钳位电容C₁并联，用于测量钳位电容C₁两端的电压并对测量的电压信号进行滤波和放大处理。

本发明一个实施例中，采用TLV3544运放作为高速运放电路，其单位增益带宽可达到100MHz，因此电压信号处理电路3具有较高的带宽。

电压信号处理电路3处理后的电压信号为待测GaN HEMT器件1的导通压降。

待测GaN HEMT器件1的导通压降，除了用于过流保护外，还用于控制回路的电流反馈。

电压比较电路4用于将电压信号处理电路3处理后的电压信号与待测GaN HEMT器件1的过流保护阈值进行比较，并根据比较结果控制驱动电路5的工作状态。

电压信号处理电路3和电压比较电路4可以为分立元件搭建的电路，也可以为集成电路芯片。

待测GaN HEMT器件1的过流保护阈值根据具体应用场合的电路设计来进行确定，本发明在此不进行详述。

驱动电路5用于驱动待测GaN HEMT器件1和钳位开关管S₁。

驱动电路5可以为一个具有两路输出的控制芯片，也可以为两个分别具有一路输出的独立的驱动芯片。

此外，本发明待测GaN HEMT器件过流保护线路，除了可以进行待测GaN HEMT器件的过流保护，还可以用于到MOSFET、Si IGBT等器件的过流检测电路中，进行MOSFET、SiIGBT等器件的过流检测。

如图3所示，为本发明GaN HEMT器件过流保护电路一种实施例的GaN HEMT器件关断状态下的电流检测等效电路，根据电路原理，待测GaN HEMT器件1关断状态下的漏源电压v_{DS_off}，其计算方法如式(1)所示：

其中，v_C1为待测GaN HEMT器件关断状态时钳位电容C₁两端的电压，Z_C1为钳位电容C₁的等效容抗，R_DM为电压信号处理电路中运算放大器的差模输入阻抗，Z_{Coss_S1}为钳位开关管S₁的寄生输出电容等效容抗。

由于钳位电容C₁的容值远大于钳位开关管S₁的寄生输出电容C_{Coss_S1}，并且R_DM一般大于1GΩ，因此在待测GaN HEMT器件1和钳位开关管S₁关断状态下，满足R_DM＞＞Z_C1，Z_{Coss_S1}＞＞Z_C1，因此，可以将式(1)可简化为式(2)：

从式(2)可以看出，在关断状态下，待测GaN HEMT器件1两端的电压主要施加在钳位开关管S₁的两端，钳位电容C₁两端的电压较低。

如图4所示，为本发明GaN HEMT器件过流保护电路一种实施例的GaN HEMT器件导通状态下的电流检测等效电路，根据电路原理，待测GaN HEMT器件1导通状态下的导通压降v_{DS_on}，其计算方法如式(3)所示：

其中，v′_c1为待测GaN HEMT器件导通状态时钳位电容C₁两端的电压，Z_C1为钳位电容C₁的等效容抗，R_DM为电压信号处理电路中运算放大器的差模输入阻抗，R_{DSon_S1}为钳位开关管S₁的导通电阻。

由于钳位电容C₁的在开关频率下的容抗远大于R_{DSon_S1}，因此在待测GaN HEMT器件1和钳位开关管S₁导通状态下，满足因此，可以将式(3)可简化为式(4)：

从式(4)可以看出，在导通断状态下，待测GaN HEMT器件1两端的电压主要施加在钳位电容C₁的两端，因此可精确的测得待测GaN HEMT器件1的导通压降。

本发明一个实施例中，待测GaN HEMT器件1两端的母线电压为400V，钳位电容C₁为0.2uF，钳位开关管S₁的寄生输出电容C_{Coss_S1}和导通电阻R_{DSon_S1}分别为270pF和1Ω，待测GaNHEMT器件1的导通电阻R_{DSon_Q1}为0.1Ω，导通电流为1A，高速运放的差模输入阻抗为1GΩ，开关频率为50kHz，则在待测GaN HEMT器件1和钳位开关管S₁关断状态下，待测GaN HEMT器件关断状态时钳位电容C₁两端的电压如式(5)所示：

待测GaN HEMT器件导通状态时钳位电容C₁两端的电压如式(6)所示：

可以看出，本发明GaN HEMT器件过流保护电路可非常精确地测得待测GaN HEMT器件的导通压降。

需要注意的是，GaN HEMT器件的导通电阻会随着温度的升高而变大，如GS66508T器件在25℃、20A时的导通电阻为0.051Ω，而在150℃、20A时的导通电阻则为0.145Ω，相差近三倍，因此，GaN HEMT器件在不同温度下可承受的最大电流也不相同，若采用直接电流检测的方法，需要根据温度随时改变电流保护阈值，方法复杂且可靠性差。本发明采用直接检测器件管压降的方法，可以不受温度影响，弥补GaN HEMT器件导通电阻随温度变化带来的保护误动作问题，且比直接检测器件电流更能准确反应器件的工作运行状态，可靠性更高。

另一方面，由于钳位开关管S₁的开通避开了待测GaN HEMT器件1在开通过程中的电压振荡，因此本发明所提检测方法具有较高的可靠性和较强的抗干扰能力。

电压信号处理电路3将钳位电容C₁上检测的电压进行低通滤波和放大处理后，电压比较电路4与设置的待测GaN HEMT器件1的过流阈值相比较，当达到或者大于过流阈值时，发送关断信号，将驱动电路5的输出关断，以保护GaN HEMT器件和电路。

如图5所示，为本发明GaN HEMT器件过流保护电路一种实施例的Buck电路结构图，图6为对应的Buck电路波形图，将本发明的GaN HEMT器件过流保护电路同时配置在半桥电路的上管Q₁和下管Q₂，S₁和C₁分别为待测GaN HEMT器件Q₁的钳位开关管和钳位电容，S₂和C₂分别为待测GaN HEMT器件Q₂的钳位开关管和钳位电容。钳位开关管S₁、S₂的分别比待测GaNHEMT器件Q₁、Q₂延迟开通。

图5的Buck电路工作过程为：

当上管Q₁开通时，钳位电容C₁可精确的检测Q₁的导通压降，并在Q₁和钳位开关管S₁关断后，C₁上的电压保持为Q₁的导通压降；同理，Q₂开通时，钳位电容C₂可精确的检测Q₂的导通压降，并在Q₂和钳位开关管S₂关断后，C₂上的电压保持为Q₂的导通压降。可见，本发明提出的GaN HEMT器件过流保护电路可适用于单管、半桥等不同的电路拓扑，且其工作过程不影响原有电路的工作状态，具有很强的电路适用性。

需要说明的是，上述实施例提供的GaN HEMT器件过流保护电路，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块的名称，仅仅是为了区分各个模块，不视为对本发明的不当限定。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GaN HEMT器件过流保护电路，其特征在于，该GaN HEMT器件过流保护电路包括待测GaN HEMT器件、有源钳位电路、电压信号处理电路、电压比较电路、驱动电路；

所述待测GaN HEMT器件为单个GaN HEMT开关管或GaN HEMT功率模块；

所述有源钳位电路包括串联的钳位开关管和钳位电容，所述有源钳位电路与所述待测GaN HEMT器件并联，用于待测GaN HEMT器件导通状态下导通压降的精确测量；

所述电压信号处理电路为高速运放电路，所述高速运放电路与所述钳位电容并联，用于测量所述钳位电容两端的电压并对测量的电压信号进行滤波和放大处理；

所述电压比较电路用于将所述电压信号处理电路处理后的电压信号与所述待测GaNHEMT器件的过流保护阈值进行比较，并根据比较结果控制所述驱动电路的工作状态；

所述驱动电路用于驱动所述待测GaN HEMT器件和所述钳位开关管。

2.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件过流保护电路，其特征在于，所述钳位开关管的耐压值不小于与所述待测GaN HEMT器件的耐压值。

3.根据权利要求2所述的GaN HEMT器件过流保护电路，其特征在于，所述钳位开关管，其导通时刻滞后于所述待测GaN HEMT器件，其关断时刻与所述待测GaN HEMT器件相同。

4.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件过流保护电路，其特征在于，所述钳位电容的容值与所述钳位开关管寄生输出电容的容值的差值大于设定第一阈值。

5.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件过流保护电路，其特征在于，在开关频率下，所述钳位电容的容抗值与所述钳位开关管的导通电阻值的差值大于设定第二阈值；

当所述待测GaN HEMT器件和所述钳位开关管导通时，所述待测GaN HEMT器件两端的电压施加在所述钳位电容的两端，从而精确测量所述待测GaN HEMT器件的导通压降。

6.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件过流保护电路，其特征在于，所述电压信号处理电路和所述电压比较电路为分立元件搭建的电路或者集成电路芯片。

7.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件过流保护电路，其特征在于，所述电压信号处理电路处理后的电压信号为所述待测GaN HEMT器件的导通压降。

8.根据权利要求7所述的GaN HEMT器件过流保护电路，其特征在于，所述待测GaN HEMT器件的导通压降，还用于控制回路的电流反馈。

9.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件过流保护电路，其特征在于，所述驱动电路为一个具有两路输出的控制芯片或者两个分别具有一路输出的独立的驱动芯片。

10.根据权利要求1所述的GaN HEMT器件过流保护电路，其特征在于，所述待测GaNHEMT器件，其关断状态下的漏源电压v_{DS_off}和导通状态下的导通压降v_{DS_on}分别为：

其中，v_C1和v′_c1分别为待测GaN HEMT器件关断状态和导通状态时钳位电容C₁两端的电压，Z_C1为钳位电容C₁的等效容抗，R_DM为电压信号处理电路中运算放大器的差模输入阻抗，Z_{Coss_S1}为钳位开关管S₁的寄生输出电容等效容抗，R_{DSon_S1}为钳位开关管S₁的导通电阻。