CN105024531B - 一种dv/dt检测与保护装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种DV/DT检测与保护装置及方法，包括：DV/DT检测电路，用于检测DV/DT的电压变化量；该电路包括若干个高压MOS管、电阻、箝位二极管及寄生电容，其中高压MOS管栅端接入输入信号，该高压MOS管的漏端连接电阻且源端接公共地；所述电阻的两端连接箝位二极管；所述寄生电容连接于高压MOS管的漏端和源端之间；DV/DT比较电路，用于根据所述电压变化量确定电压变化量所属DV/DT级别，及配置用于控制输出驱动调整电路工作模式的信号；输出驱动调整电路，用于根据控制信号调整及输出不同工作模式下的驱动能力，以确保功率器件工作在安全DV/DT范围内。本发明电路实现方式简单，可靠性和集成度高，不需要额外的外围器件，适用于桥式电路、智能功率模块等各种应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种DV/DT检测装置，尤其涉及一种DV/DT检测与保护装置及方法，属于智能功率驱动模块的技术领域。
背景技术
随着电子电力技术的不断进步，高压栅极驱动电路以及智能功率模块(将高压栅极驱动电路以及功率器件合封在一起的功率驱动模块)在马达、自动化、电源系统等多个领域发挥着越来越重要的作用。
高压半桥拓扑是高压栅极驱动电路最典型应用场景。高压栅极驱动电路、高侧功率器件(MOS或者IGBT)、低侧功率器件一起组成半桥驱动拓扑。如图1所示，栅极驱动电路按照工作电源电压分主要包括高侧驱动电路和低侧驱动电路，其中高侧驱动电路的输出HO控制高侧MOSFET M1的开关，而低侧驱动电路的输出LO控制低侧MOSFET M2的开关。通过自举二极管Dbs和自举电容Cbs组成的自举浮动电源用来给高侧驱动电路提供电源。因此高侧驱动电路的浮动地VS随着功率器件的开关状态而变化。如图2所示，HO由低变为高时，LO输出低，高侧MOSFET M1导通，半桥驱动系统的输出节点VS从地电位以DV/DT速率切换至功率电源电压。为了提高半桥系统的效率，降低功率器件在开关过程中的功耗，需要让功率器件以更快的速度切换。但是VS以DV/DT速率变化会存在两方面不好的机制：一是当VS以DV/DT的速率变化，寄生电容Cds上会流过位移电流(Id1)，该电流会在栅极驱动电路的输出阻抗或者电容Cgs上产生压降，如果该压降超过了MOSFET的阈值，就会引起MOSFET的误导通；二是当VS以DV/DT的速率变化，寄生电容Cdb上同样会流过位移电流(Id2)，该电流在寄生电阻Rb上产生的压降如果大于寄生三极管NPN的开启电压，同样会引起NPN的导通，进而触发大电流。如果VS的变化速率DV/DT超过了限定的范围，上述两种机制都会引起低侧MOSFET M2误导通从而引起高低侧MOSFET的直通或者引起M2的闩锁，进而对M2造成永久性的毁坏。如何让功率器件以更安全的DV/DT开关速率工作，现有技术主要通过外围分立器件来调整栅极驱动电路的输出驱动能力，进而调整DV/DT。
但是这种方式增加了使用成本，且不太利于应用印刷电路板(PCB)的布局，容易增加各种寄生干扰因素；另外这种方式不适用于对全集成的智能功率模块，无法有效方便地调整DV/DT，从而对功率器件起到保护作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种DV/DT检测与保护装置及方法，解决现有技术通过外围分立器件来调整栅极驱动电路的输出驱动能力，不适用于对全集成的智能功率模块，无法有效方便地调整DV/DT的问题。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种DV/DT检测与保护装置，包括：
DV/DT检测电路，用于检测DV/DT的电压变化量；该电路包括若干个高压MOS管、电阻、箝位二极管及寄生电容，其中高压MOS管的栅端接入输入信号，该高压MOS管的漏端连接电阻且源端接公共地；所述电阻的两端连接箝位二极管；所述寄生电容连接于高压MOS管的漏端和源端之间；
DV/DT比较电路，用于根据所述电压变化量确定电压变化量所属DV/DT级别，及根据DV/DT级别配置用于控制输出驱动调整电路工作模式的信号；
输出驱动调整电路，用于根据控制信号配置工作模式及输出驱动能力，以确保功率器件工作在安全DV/DT范围内。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述DV/DT检测电路检测由DV/DT而引起的寄生电容的位移电流在电阻上的电压变化获得电压变化量。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述DV/DT比较电路包括若干个比较电平及与之连接的窗口比较器。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述窗口比较器在DV/DT检测电路中电阻的电压变化量都满足比较电平时，配置控制信号输出。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述输出驱动调整电路通过调整输出驱动管的阻抗或者电源电压实现驱动能力的调整。
本发明还提供一种基于上述DV/DT检测与保护装置的保护方法，包括步骤：
检测获得DV/DT的电压变化量；
将检测获得DV/DT的电压变化量与预设的DV/DT级别范围比较，确定电压变化量所属DV/DT级别；
将电压变化量的DV/DT级别与预设DV/DT安全级别对比，当电压变化量的DV/DT级别值超过DV/DT安全级别时，通过调整输出驱动能力，以确保被驱动的功率器件工作在安全的DV/DT范围。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述DV/DT的电压变化量与DV/DT级别成正比关系。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述DV/DT级别范围至少包括两个级别范围。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述电压变化量的DV/DT级别值超过DV/DT安全限值时，逐渐降低所输出的驱动能力。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述降低输出驱动能力通过增加输出驱动管的阻抗或者降低电源电压方式来实现。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
(1)本发明所提供的DV/DT检测与保护装置及方法，通过自动检测功率器件开关过程中的DV/DT，当DV/DT超过设定的阈值时，驱动电路会自动调整输出驱动能力，使功率器件工作在合理安全的DV/DT范围；电路实现方式简单，可靠性和集成度高，不需要额外的外围器件，适用于桥式电路、智能功率模块等各种应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为现有技术中半桥驱动拓扑结构。
图2为现有技术中DV/DT引起的MOSFET失效机制。
图3为本发明的DV/DT检测与保护装置的结构示意图。
图4为本发明中DV/DT比较电路的结构示意图。
图5(a)为本发明中DV/DT比较电路的正常电平转换过程工作波形；图5(b)为本发明中DV/DT比较电路的DV/DT较小过程工作波形；图5(c)为本发明中DV/DT比较电路的DV/DT较大过程工作波形。
图6为本发明中DV/DT比较电路的判定示意图。
图7为本发明中输出驱动调整电路的实施方式1的示意图。
图8为本发明中输出驱动调整电路的实施方式2的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅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做出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。
本发明提供的DV/DT检测与保护的装置，包括DV/DT检测电路、DV/DT比较电路以及输出驱动调整电路；其中DV/DT检测电路包括若干个高压MOS管、电阻、箝位二极管及寄生电容。在本实施例中，如图3所示，DV/DT检测电路包括第一及第二高压MOS管，第一及第二电阻，第一及第二箝位二极管，以及第一及第二寄生电容；所述第一高压MOS管MA1，其栅端接输入信号IN1，漏端接第一电阻R1，第一电阻R1的另一端接浮动电源VB；第一高压MOS管MA1的源端接公共地VSS，第一电阻R1的两端接第一箝位二极管D1；对于第二高压MOS管MA2，其栅端接输入信号IN2，漏端接第二电阻R2，第二电阻R2的另一端接浮动电源VB；第二高压MOS管MA2的源端接公共地VSS，第二电阻R2的两端接第二箝位二极管D2。且第一寄生电容Cpar1连接于第一高压MOS管MA1的漏端和源端之间，第二寄生电容Cpar2连接于第二高压MOS管MA2的漏端和源端之间；该检测电路还实现了高压电平转换功能，将低电压域的输入IN1和IN2转换为高电压域的信号。检测电路是检测DV/DT而引起的寄生电容的位移电流在电阻上的电压变化获得电压变化量。
第一高压MOS管MA1和第二高压MOS管MA2的漏端检测到电压变化量送到DV/DT比较电路与内部的基准窗口比较，并输出至少一位的控制信号配置输出驱动调整电路的工作模式，来调整输出驱动能力。输出驱动调整电路，根据控制信号调整及输出不同工作模式下的驱动能力，以确保功率器件工作在安全DV/DT范围内。
在本实施例中，还给出了装置中DV/DT比较电路的具体实施实例，如图4所示，包括了一个比较电平Vref，窗口比较器Comp1和Comp2，两个比较器的反相输入端都与比较电平Vref相连接，两个窗口比较器的正相输入端分别接高压电平转换电路的输出节点A和B，两个窗口比较器的输出CA和CB与或非门Nor1的两个输入端相连接，Nor1的输出端接RS-Latch的S端，RS-Latch的R端接复位信号UVLO。其工作过程如下，当高侧MOSFET导通时，半桥电路的输出节点VS会以DV/DT的速率变化。因为高侧驱动电路采样自举电容Cbs提供浮动电源，当VS以DV/DT的速率变化，高侧驱动电路的电源VB也会以DV/DT的速率跟随变化。此时，由于VB的DV/DT变化，会在高压电平转换电路中第一高压MOS管M1和第二高压MOS管M2的第一寄生电容Cpar1和第二寄生电容Cpar2上分别产生位移电流。该电流会流过高压电平转换电路中的第一电阻R1和第二电阻R2，在两个电阻上产生压降等于第一电阻R1和第二电阻R2，第一高压MOS管MA1和第二高压MOS管MA2都尽可能地匹配。所以如果浮动电源VB上有DV/DT的电压变化时，在两个电阻上产生的压降应该基本一致。所产生的压降分别与窗口比较器的比较电平比较，如果两电阻上的电压变化同时满足条件，则或非门输出高电平，并将RS-Latch置位，输出高电平有效的Gate_control信号。如图5(a)所示，当高压电平转换器正常转换信号时，比如第二高压MOS管M2接收到信号，第一高压MOS管M1关闭，此时只有第二电阻R2有电压变化，第一电阻R1没有，所以DV/DT比较电路输出低电平的Gate_control。如果功率器件开关在VB上DV/DT比较小，如图5(b)所示，产生的位移电流比较小，在第一电阻R1和第二电阻R2上的电压变化无法达到窗口比较器的比较电平Vref，DV/DT比较电路输出低电平的Gate_control。如图5(c)所示，当功率器件开关在VB上DV/DT比较大时，第一电阻R1和第二电阻R2上的电压变化达到窗口比较器的比较电平Vref，此时DV/DT比较电路输出高电平的Gate_control。
DV/DT比较电路还可以在第一电阻R1和第二电阻R2两端的电压变化量同时超过了DV/DT比较电路的内部窗口比较电平时，配置控制信号输出，输出驱动调整电路响应此事件，并降低输出驱动能力，将DV/DT降至安全的范围内。
图4和图5中所示的DV/DT比较电路实施实例中都只包含了一个窗口电平，判定的DV/DT等级比较简单。图6是DV/DT比较电路包含了多个窗口比较电平的判定示意图，可以根据DV/DT级别精度对窗口比较电平的数量进行设置，由此根据电阻上电压变化的程度，将DV/DT级别划分为多个范围，输出多位的Gate_control<n:1>信号。
对于装置中的输出驱动调整电路，所述输出驱动调整电路包括用于充电的第一输出驱动管和用于放电的第二输出驱动管，以及连接于所述两个输出驱动管之间的驱动调整单元；所述驱动调整单元包括若干组开关电路，且所述开关电路的数量与控制信号数量对应。本发明给出不同实施例，如图7和图8所示，为输出驱动调整电路的具体电路结构。
图7的输出驱动调整电路中包括用于充电的第一输出驱动管MP1和用于放电的第二输出驱动管MN1、及驱动调整单元，如图7所示，驱动调整单元由两组串联的开关电路组成，每个开关电路由电阻和与电阻并联的开关管组成；图7中，一个开关电路由开关管MP2和与之并联的电阻Rd1组成，该开关电路接收来自Gate_control<1>的信号。另一个开关电路由开关管MP3和与之并联的电阻Rd 2组成，该开关电路接收来自Gate_control<2>的信号。对于第一个开关电路，第一输出驱动管MP1、开关管MP2以及电阻Rd用于电路的充电过程，第二输出驱动管MN1用于电路的放电过程。对于电路的充电过程来说，其是通过开关管MP2控制电阻Rd的短路与否，通过电阻Rd来调整输出驱动能力，当比较电路输出的控制信号Gate_control<1>为低电平，开关管MP2导通，电阻Rd被短路，当比较电路输出的Gate_control<1>为高电平时，电阻Rd和第一输出驱动管MP1串联，驱动能力降低。对于第二开关电路，其原理同上述。
图8的输出驱动调整电路中，包括用于充电的第一输出驱动管MP1和用于放电的第二输出驱动管MN1、及驱动调整单元，如图8所示，驱动调整单元由两组并联的开关电路组成，图8中，第一个开关电路由逻辑门电路NOR 1及被逻辑门电路NOR 1控制的输出驱动管MP2组成,该开关电路接收来自Gate_control<1>的信号。另一个开关电路由逻辑门电路NOR2及被逻辑门电路NOR 2控制的输出驱动管MP3组成，该开关电路接收来自Gate_control<2>的信号。对于第一个开关电路中，运用其中第一输出驱动管MP1和输出驱动管MP2、逻辑门电路NOR 1用于对电路的驱动力调整。如图中所示，DV/DT比较电路输出的控制信号Gate_control<1>连接逻辑门电路NOR 1；逻辑门电路NOR 1的输出端连接输出驱动管MP2的栅极；DV/DT比较电路输出的控制信号Gate_control<1>为低电平时，输出驱动管MP2和第一输出驱动管MP1并联，当DV/DT比较电路输出的控制信号Gate_control<1>为高电平时，只有第一输出驱动管MP1工作，驱动能力降低。对于第二开关电路，其原理同上述。
并且，输出驱动调整电路还可以通过电源电压来调整输出驱动能力，或只调整输出外灌电流能力，但也可以对输出下拉电流能力做出相关调整。
在上述装置的基础上，本发明还提出了一种DV/DT检测与保护方法，该方法具体包括：
检测获得DV/DT电压变化量；
将检测获得的DV/DT电压变化量与预设的DV/DT级别范围比较，确定电压变化量所属DV/DT级别；
将电压变化量的DV/DT级别与预设DV/DT安全级别对比，当电压变化量的DV/DT级别超过DV/DT安全级别时，通过调整输出驱动能力，以确保被驱动的功率器件工作在安全的DV/DT范围。
进一步地，所述电压变化量可以通过比较电压变化值所得，可以是检测由DV/DT引起的DV/DT检测电路中寄生电容的位移电流在电阻上的电压变化值；且电压变化量与DV/DT级别成正比关系，电压变化量越高，DV/DT级别越高，电压变化量越低，DV/DT级别也越低。
对于本方法中，DV/DT级别可以至少包括两个级别范围，如至少包含了高和低两个等级范围。如图6所示的电阻上电压变化量的程度的判定图中，即将DV/DT级别设定为vth1至vthn多个范围，当电阻上电压变化量落入对应范围时，即能生成一个DV/DT级别，在得到DV/DT级别的同时，对应的Gate_control的信号也会相应地产生，由此获得Gate_control<1>至Gate_control<n>个信号输出。而在图6中设定由DV/DT安全级别，当DV/DT级别超过DV/DT安全级别时，通过调整输出驱动能力进行保护。
并且，所述电压变化量的DV/DT级别值超过DV/DT安全限值时，可以优选采用逐渐降低输出驱动能力的方式，来降低DV/DT，使得输出驱动调整电路的工作模式由更强的输出驱动能力变化为更弱的输出驱动能力。对于所述降低输出驱动能力，可以通过增加输出驱动管的阻抗或者降低电源电压方式来实现。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件来实现，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明实施例的范围。具体地，所述运算和控制部分都可以通络逻辑硬件实现，其可以是使用集成电路工艺制造出来的逻辑集成电路，本实施例对此不作限定。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种DV/DT检测与保护装置，其特征在于，包括：
DV/DT检测电路，用于检测DV/DT的电压变化量；所述DV/DT检测电路包括：第一高压MOS管(MA1)，第二高压MOS管(MA2)，第一电阻(R1)，第二电阻(R2)，第一箝位二极管(MA1)，第二箝位二极管(MA2)，第一寄生电容(Cpar1)和第二寄生电容(Cpar2)；所述第一高压MOS管(MA1)栅端接第一输入信号(IN1)，漏端接所述第一电阻(R1)一端，所述第一电阻(R1)的另一端接浮动电源(VB)；所述第一高压MOS管(MA1)源端接公共地(VSS)，所述第一箝位二极管(D1)两端接所述第一电阻(R1)的两端；所述第二高压MOS管(MA2)栅端接第二输入信号(IN2)，漏端接所述第二电阻(R2)，所述第二电阻(R2)的另一端接浮动电源(VB)；所述第二高压MOS管(MA2)源端接公共地(VSS)，所述第二箝位二极管(D2)两端接所述第二电阻(R2)的两端；所述第一寄生电容(Cpar1)接所述第一高压MOS管(MA1)的漏端和源端，所述第二寄生电容(Cpar2)接所述第二高压MOS管(MA2)的漏端和源端；
DV/DT比较电路，用于根据所述电压变化量确定电压变化量所属DV/DT级别，及根据DV/DT级别配置用于控制输出驱动调整电路工作模式的信号；所述DV/DT比较电路包括若干个比较电平及与之连接的窗口比较器，所述窗口比较器在DV/DT检测电路中电阻的电压变化量都满足比较电平时，配置控制信号输出；
输出驱动调整电路，用于根据控制信号配置工作模式及输出驱动能力，以确保功率器件工作在安全DV/DT范围内。
2.根据权利要求1所述DV/DT检测与保护装置，其特征在于：所述DV/DT检测电路检测由DV/DT而引起的寄生电容的位移电流在电阻上的电压变化获得电压变化量。
3.根据权利要求1所述DV/DT检测与保护装置，其特征在于：所述输出驱动调整电路通过调整输出驱动管的阻抗或者电源电压实现驱动能力的调整。
4.一种DV/DT检测与保护装置的保护方法，其特征在于，包括步骤：
检测获得DV/DT的电压变化量；
将检测获得的DV/DT电压变化量与预设的DV/DT级别范围比较，确定电压变化量所属DV/DT级别；
将电压变化量的DV/DT级别与预设DV/DT安全级别对比，当电压变化量的DV/DT级别值超过DV/DT安全级别时，通过调整输出驱动能力，以确保被驱动的功率器件工作在安全的DV/DT范围。
5.根据权利要求4所述DV/DT检测与保护装置的保护方法，其特征在于：所述DV/DT的电压变化量与DV/DT级别成正比关系。
6.根据权利要求4所述DV/DT检测与保护装置的保护方法，其特征在于：所述DV/DT级别范围至少包括两个级别范围。
7.根据权利要求4所述DV/DT检测与保护装置的保护方法，其特征在于：所述电压变化量的DV/DT级别值超过DV/DT安全限值时，逐渐降低所输出的驱动能力。
8.根据权利要求7所述DV/DT检测与保护装置的保护方法，其特征在于：所述降低输出驱动能力通过增加输出驱动管的阻抗或者降低电源电压方式来实现。
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