CN109217857B - 用于SiC或GaNMOSFET晶体管的开关装置的短路保护电路及相关方法 - Google Patents

用于SiC或GaNMOSFET晶体管的开关装置的短路保护电路及相关方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种功率开关装置(10)，其包括至少一个能够由主电流(I；Ia，Ib，Ic)能够行进通过的SiC或GaN MOSFET型晶体管(12；12a，12b，12c)；所述开关装置(10)包括至少一个测量模块(14；14a，14b，14c)，所述至少一个测量模块被配置为从由所述晶体管(12；12a，12b，12c)产生的电磁场间接测量在所述晶体管(12；12a，12b，12c)的漏极与源极之间流动的主电流；以及至少一个保护电路(16；16a，16b，16c)，所述保护电路被配置为基于所述主电流(I；Ia，Ib，Ic)的时间导数的符号来检测短路。

Description

用于SiC或GaNMOSFET晶体管的开关装置的短路保护电路及相 关方法
技术领域
本发明涉及一种功率开关装置，其包括至少一个能够由主电流能够行进通过的SiC或GaN MOSFET型晶体管。
背景技术
以本身已知的方式，SiC或GaN MOSFET型晶体管(分别为“碳化硅”、“氮化镓”和“金属氧化物半导体场效应晶体管”)(也称为绝缘栅双极晶体管)包括三个电端子或触点，即栅极、漏极和源极。
特别地，SiC或GaN MOSFET型晶体管可以用作电开关。实际上，这样的晶体管限定其中漏极电连接到源极的导通状态和其中漏极和源极彼此电隔离的截止状态。
两个状态之间的切换由适当的控制装置施加在栅极上的设定点电压控制。
特别地，截止状态和导通状态之间的切换包括切换到触发的阶段，包括将晶体管从截止状态切换到导通状态，以及切断的阶段，包括将晶体管从导通状态切换到截止状态。
通常，SiC或GaN MOSFET晶体管的操作由合适的开关装置控制，特别是使得可以检测使用晶体管的电网内的短路。
这种短路可能例如出现在SiC或GaN MOSFET晶体管的漏极和源极之间。
为了检测短路，现有的开关装置使用保护电路，该保护电路直接测量漏极和源极之间的电压并基于这些测量检测短路。换句话说，在现有装置中，保护电路一方面连接到漏极，另一方面连接到源极，以直接测量电压。
然而，现有开关装置和由这些装置实现的用于短路检测的方法并不完全令人满意。
实际上，现有装置继承自IGBT(绝缘栅双极晶体管)晶体管。这种装置不适用于SiC或GaN MOSFET型晶体管。
SiC或GaN MOSFET型晶体管能够达到比IGBT型晶体管更高的开关速度以及因此更高的开关频率。这使得可以减少开关装置中使用的部件的体积、重量和成本。
然而，在SiC或GaN MOSFET型晶体管的高频操作期间产生的电磁干扰是不可忽略的。特别是，它们产生共模电流，该共模电流破坏晶体管附近的电子元件，包括连接到漏极和源极的保护电路。
在SiC或GaN MOSFET型晶体管以高频率切换的情况下，共模电流足够大以引发错误警报，这将导致开关装置停止。然后需要插入增强型滤波器来过滤源极和保护电流之间的共模电流。
此外，与IGBT型晶体管不同，SiC或GaN MOSFET型晶体管不会短路卸载。因此短路电流不受SiC或GaN MOSFET型晶体管的卸载限制，但是，这仅仅是对于IGBT晶体管而言。
此外，对于SiC或GaN MOSFET型晶体管的导通状态的阻抗远低于对于IGBT型晶体管的导通状态的阻抗，短路电流在SiC或GaN MOSFET型晶体管的情况下比在IGBT型晶体管的情况下大得多。
为了避免SiC或GaN MOSFET型晶体管的损坏，因此保护电路的反应时间必须非常短，大约为1或2微秒。
这种反应性约束要求减轻保护电路输入端的滤波。同时，如前所述，必须加强保护电路输入端的滤波，以过滤共模电流。
因此，现有装置不能在保护电路的反应性和对晶体管在高频率下工作时产生的电磁干扰的抗扰性之间取得令人满意的折衷。
这个问题在铁路领域特别相关，其中SiC或GaN MOSFET型晶体管以高频工作。
发明内容
本发明的目的在于提出一种SiC或GaN MOSFET晶体管开关装置，其表现良好并且对于高开关速度而言是稳健的。
为此，本发明涉及一种功率开关装置，其包括至少一个能够由主电流行进通过的SiC或GaN MOSFET晶体管；该开关装置包括至少一个测量模块，该至少一个测量模块被配置为从由晶体管以及至少一个保护电路产生的电磁场间接测量晶体管的主电流，该至少一个保护电路被配置为基于主电流的时间导数的符号来检测短路。
因此，相对于现有的保护电路，本发明基于电流(而非电压)测量，该测量此外还是来自由晶体管辐射的电磁场的电流的间接测量，其允许在破坏源(即晶体管)和保护电路之间的解耦。
实际上，根据本发明，“间接”意味着保护电路不连接到晶体管的源极，这使得可以在短路的情况下保护它免受由晶体管产生的共模电流的影响。
根据本发明的其它有利方面，该方法包括单独或根据所有技术上可能的组合考虑的一个或多个以下特征：
测量模块包括与晶体管电流隔离的天线；
天线位于圆圈中，该圆圈的中心是晶体管，半径在1毫米至10厘米之间；
开关装置包括多个晶体管；
开关装置包括与晶体管一样多的测量模块，每个晶体管与单独的测量模块相关联，每个测量模块被配置为测量行进通过相关联的晶体管的主电流；
每个测量模块与至少一个不同于相关联的晶体管产生的电磁场的电磁场电磁隔离；
每个测量模块及相关联的晶体管布置在法拉第笼中；
针对行进通过每个晶体管的主电流的时间导数的符号，每个晶体管与观测窗相关联，观测窗能够在晶体管从截止状态切换到导通状态的同时被触发，观测窗彼此分开；
开关装置包括单个测量模块，该单个测量模块被配置为测量行进通过每个晶体管的主电流；
针对行进通过每个晶体管的主电流的时间导数的符号，每个晶体管与观测窗相关联，观测窗能够在晶体管从截止状态切换到导通状态的同时被触发，观测窗彼此分开。
附图说明
本发明的这些特征和优点将通过阅读仅作为非限制性示例提供并且参考附图进行的以下描述而出现，在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的功率开关装置的示意图；
图2是根据本发明第二实施例的功率开关装置的示意图；
图3是根据本发明第三实施例的功率开关装置的示意图；以及
图4是由图1的开关装置实现的短路检测方法的流程图。
具体实施方式
图1至3示出了用于转换电能的功率开关装置10。
功率开关装置10尤其能够用于铁路领域，并且例如在铁路车辆上。
参照图1，开关装置10包括至少一个晶体管12、至少一个测量模块14和至少一个保护电路16。
晶体管12是SiC或GaN MOSFET(分别为“碳化硅”、“氮化镓”和“金属氧化物半导体场效应晶体管”)的晶体管，也称为绝缘栅双极型晶体管。
晶体管12本身是已知的，并且特别地包括三个电端子或触点，即，栅极G、漏极D和源极S。
晶体管12定义了导通状态，其中电流I(以下称为主电流)在漏极D和源极S之间流动；以及截止状态，其中漏极D与源极S电隔离。
测量模块14被配置为从由晶体管12产生的电磁场间接测量通过晶体管12的主电流I的强度。
实际上，由晶体管12辐射的电磁场根据定义是根据双射关系的主电流I的图像，由晶体管辐射的电磁场通过定义引起共模电流。因此，与晶体管12内不存在短路相比，所测量的电磁场在存在短路的情况更强大。
因此，通过间接地使用由晶体管12辐射的电磁场，测量模块14能够检测行进通过晶体管12的主电流I的强度的任何变化。
换句话说，测量模块14使得能够检测主电流I的强度值随时间的任何增加或减少。
换言之，测量模块14使得可以检测主电流I的时间导数dI/dt的符号。
优选地，测量模块14包括天线18，该天线18与晶体管12电隔离并且能够测量由晶体管12辐射的电磁场。由晶体管12产生的电磁场经由天线18接收，诱发共模电流，该共模电流在测量模块14内确定的强度与行进通过晶体管12的主电流I的强度相关。
有利的是，天线18位于圆圈中，该圆圈的中心是晶体管12，半径为1mm至10cm，以便获得晶体管12辐射的电磁场的足够精确的测量。
传统上，保护电路16能够一方面连接到滤波电路F，滤波电路F被配置为过滤由晶体管辐射并且在测量模块14内接收的电磁信号的电磁干扰(IEM)，另一方面连接到脉冲发生器GP，脉冲发生器GP被配置为产生设定点电压。
换言之，根据本发明，保护电路16不直接或经由滤波电路F连接到晶体管12的源极S，这使得可以保护保护电路16免受在晶体管12短路的情况下产生的共模电流。
此外，保护电路16能够通过脉冲发生器GP在栅极G上施加设定点电压和设定点电流来控制晶体管12的操作。
保护电路16还经由滤波电路F连接到测量模块14，以从由晶体管12辐射的电磁场恢复dI/dt的符号的间接测量。
保护电路16还能够在预定的时间观测窗Tobs中实现用于检测短路100的方法，稍后更详细地描述。
在图2和3所示的实施例中，装置10包括多个电源组件(即，“电源组”或“开关”)(例如，三个电源组20a、20b和20c)以及控制单元22，该控制单元22被配置成控制每个电源组的晶体管12a、12b和12c的开关。为了达到这个目的，控制单元22连接到脉冲发生器GPa、GPb和GPc。
电源组20a包括与保护电路16a相关联的晶体管12a、脉冲发生器GPa。主电流Ia通过行进晶体管12a。
电源组20b包括与保护电路16b相关联的晶体管12b、脉冲发生器GPb。主电流Ib行进通过晶体管12b。
电源组20c包括与保护电路16c相关联的晶体管12c、脉冲发生器GPc。主电流Ic行进通过晶体管12c。
电源组20a、20b和20c受益于类似的配置(即，相同的开关速度、相同的设备等)。
或者，至少一个电源组20a、20b和20c与其他电源组不同。
为了避免由一个电源组产生的电磁干扰影响相邻的电源组，根据本发明考虑并潜在地组合了几个替代实施例。
根据未示出的第一替代方案，每个电源组20a、20b和20c分别与由控制单元22专用的观测窗Tobs，a、Tobs，b和Tobs，c相关联。
优选地，观测窗Tobs，a、Tobs，b和Tobs，c是分开的，即，优选地随时间不连续。
观测窗Tobs，a同时与相关联的晶体管12a从截止状态切换到导通状态开始。同样，观测窗Tobs，b同时与相关联的晶体管12b从截止状态切换到导通状态开始，观测窗Tobs，c同时与相关联的晶体管12c从截止状态切换到导通状态开始。
因此，在观测窗Tobs，a中，晶体管12b和12c从截止状态到导通状态的切换不会破坏由晶体管12a辐射的电磁场的测量。
控制单元22能够将晶体管12a、12b和12c独立地从导通状态切换到截止状态或从截止状态切换到导通状态。
根据图2所示的可以或可以不与第一替代方案结合的第二替代方案，装置10包括分别与电源组20a、20b和20c相关联的三个测量模块14a、14b和14c。
更具体地说，测量模块14a、14b和14c被配置为间接地从晶体管12a、12b和12c分别辐射的电磁场测量主电流Ia、Ib和Ic。
有利地，测量模块14a与至少一个不同于相关联的晶体管12a的电磁场的电磁场电磁隔离。换句话说，测量模块14a与由晶体管12b和12c产生的电磁场隔离。
为此，测量模块14a和相关联的晶体管12a例如放置在法拉第笼或电磁绝缘的(即屏蔽的)壳体(未示出)中。
测量模块14b和14c以及相关联的晶体管12b和12c有利地受益于类似的配置。
换句话说，根据该替代方案，实施每个电源组的单独保护。
根据可以或可以不与图3所示的第一替代方案组合的第三替代方案，装置10包括单个测量模块14。
测量模块14被配置为间接地确定由晶体管12a、12b和12c分别辐射的电磁场所产生的电流的变化。
有利地，测量模块14与晶体管12a、12b和12c等距离地定位。
测量模块14将其测量值传送给与其中一个电源组相关联的保护电路，例如保护电路16a，如图3所示，该保护电路对测量值进行处理并将处理结果传送给控制单元22。当该处理结果在识别出存在短路的情况下，控制单元22为所有电源组(即电源开关)20a、20b、20c产生全局开启命令，以保护它们免受检测到的短路。
在未示出的替代方案中，保护电路16a能够与同其他电源组20b和20c相关联的保护电路16b和16c通信或连接到保护电路16b和16c。
现在将参考图1的单晶体管实施例解释开关装置10的操作。
在用于将晶体管12从截止状态切换至导通状态的阶段期间，功率开关装置10执行用于检测短路的方法100。
特别地，该方法100包括几个步骤，其流程图在图4中示出。
在第一步骤110期间，测量模块14测量由晶体管12产生的电磁场。通过该测量，测量模块14确定主电流I的时间导数dI/dt的符号。
在步骤120中，保护电路16观测时间观测窗Tobs中的主电流I的时间导数dI/dt的时间。
如果主电流I的时间导数dI/dt在包括在预定时间观测窗Tobs中的测试时段T测试期间严格为正，则保护电路16在步骤130期间检测到短路的存在。否则，保护电路16检测到没有短路。
有利地，方法100还包括步骤140，在此期间保护电路16确认存在检测到的短路。
具体地，在该步骤140期间，当主电流I的时间导数dI/dt在根据测试时段T测试的附加时段期间保持大于或等于零时，保护电路16确认存在短路。如果主电流I的时间导数dI/dt在附加时段期间严格为正，则保护电路16在步骤150期间检测到存在短路。否则，保护电路16检测到没有短路。
附加时段从测试时段T测试结束时开始，并且例如在时间观测窗Tobs结束。
测试时段T测试和附加时段包含在观测窗Tobs中。
当已经检测到短路时，保护电路16然后发信号通知短路并且至少在预定阻断时段期间使晶体管12保持截止状态。
测试时段T测试可由保护电路16配置并在执行方法100之前调整，例如在十纳秒与十五微秒之间。
观测窗Tobs的长度可由保护电路16配置并且在执行方法100之前进行调整，例如在十纳秒与十五微秒之间。
然后可以看到本发明具有一定的优点。
根据本发明的检测方法可以通过仅使用不同时间段中主电流Ic的导数dI/dt的符号的分析来检测晶体管中的短路。
根据本发明的装置不修改电源电路。因此，开关能量损失和过电压风险不会增加。
应该注意的是，由于卸载电压高度依赖于温度，因此来自辐射电磁场的间接电流测量比SiC或GaN MOSFET晶体管的电压测量更精确。
此外，只有导数dI/dt的符号才能实施方法100。不需要测量主电流I的值或其导数dI/dt的值，这使得可以简化施加于各种测量手段的要求。
这对于在高电压下工作的晶体管特别有利，特别是在铁路领域中使用的晶体管。
此外，导数dI/dt的符号通过由晶体管12辐射的电磁场的间接测量来测量。
因此，保护电路16不受共模电流的影响，因为其不直接或经由滤波电路F连接到SiC或GaN MOSFET晶体管的源极S。这也意味着装置10相对于现有装置对保护电路16的电磁兼容性EMC的敏感性要低得多。因此，不需要加强滤波器F，使得保护电路16的反应时间相对于现有装置减少。

Claims (10)

1.一种功率开关装置(10)，包括至少一个能够由主电流(I；Ia，Ib，Ic)行进通过的SiC或GaN MOSFET型晶体管(12；12a，12b，12c)，
其特征在于，所述开关装置(10)包括至少一个测量模块(14；14a，14b，14c)，所述至少一个测量模块被配置为从所述晶体管(12；12a，12b，12c)产生的电磁场间接测量在所述晶体管(12；12a，12b，12c)的漏极与源极之间流动的主电流(I)；以及
至少一个保护电路(16；16a，16b，16c)，所述保护电路被配置为基于所述主电流(I；Ia，Ib，Ic)的时间导数的符号来检测短路。
2.根据权利要求1所述的开关装置(10)，其特征在于，所述测量模块(14；14a，14b，14c)包括与所述晶体管(12；12a，12b，12c)电流隔离的天线(18)。
3.根据权利要求2所述的开关装置(10)，其特征在于，所述天线(18)位于圆圈中，所述圆圈的中心是所述晶体管(12；12a，12b，12c)并且所述圆圈的半径包括在1毫米和10厘米之间。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的开关装置(10)，其特征在于，所述开关装置(10)包括多个晶体管(12a，12b，12c)。
5.根据权利要求4所述的开关装置(10)，其特征在于，所述开关装置(10)包括与晶体管(12a，12b，12c)一样多的测量模块(14a，14b，14c)，每个晶体管(12a，12b，12c)与单独的测量模块(14a，14b，14c)相关联，每个测量模块(14a，14b，14c)被配置为测量行进通过相关联的晶体管(12a，12b，12c)的主电流(Ia，Ib，Ic)。
6.根据权利要求5所述的开关装置(10)，其特征在于，每个测量模块(14a，14b，14c)与至少一个不同于由相关联的晶体管(12a，12b，12c)产生的电磁场的电磁场电磁隔离。
7.根据权利要求6所述的开关装置(10)，其特征在于，每个测量模块(14a，14b，14c)及相关联的晶体管(12a，12b，12c)布置在法拉第笼中。
8.根据权利要求4所述的开关装置(10)，其特征在于，针对行进通过每个晶体管(12a，12b，12c)的主电流(I；Ia，Ib，Ic)的时间导数的符号，每个晶体管(12a，12b，12c)与时间观测窗(Tobs,a，Tobs,b，Tobs,c)相关联，所述时间观测窗(Tobs,a，Tobs,b，Tobs,c)能够与所述晶体管(12a，12b，12c)从截止状态变为导通状态同时被触发，所述时间观测窗(Tobs,a，Tobs,b，Tobs,c)彼此分离，其中所述时间观测窗为用于观测所述时间导数的时段。
9.根据权利要求4所述的开关装置(10)，其特征在于，所述开关装置(10)包括单个测量模块(14)，所述单个测量模块被配置为测量行进通过每个晶体管(12a，12b，12C)的主电流(Ia，Ib，Ic)。
10.根据权利要求9所述的开关装置(10)，其特征在于，针对行进通过每个晶体管(12a，12b，12c)的主电流(I；Ia，Ib，Ic)的时间导数的符号，每个晶体管(12a，12b，12c)与时间观测窗(Tobs,a，Tobs,b，Tobs,c)相关联，所述时间观测窗(Tobs,a，Tobs,b，Tobs,c)能够与所述晶体管(12a，12b，12c)从截止状态变为导通状态同时被触发，所述时间观测窗(Tobs,a，Tobs,b，Tobs,c)彼此分离，其中所述时间观测窗为用于观测所述时间导数的时段。
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