CN109995350A - 一种功率场效应管的驱动级短路保护装置及保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率场效应管的驱动级短路保护装置及保护方法，该装置包括：IGBT管、功率MOSFET管、驱动保护装置、Vce检测电路及门极驱动电路；IGBT管并联于功率MOSFET管的漏极与源极两端；Vce检测电路分别与IGBT管的集电极及基极相连；驱动保护装置分别与Vce检测电路及门极驱动电路相连；门极驱动电路分别与功率MOSFET管的门极、IGBT管的门极及功率MOSFET管的源极相连。该方法包括：将IGBT管并联于功率MOSFET管的漏极与源极两端；通过检测IGBT管的集电极与基极两端的电压Vce来实现短路保护。本发明利用IGBT管的分流作用，短路时能够有效保护功率MOSFET管。

Description

一种功率场效应管的驱动级短路保护装置及保护方法
技术领域
本发明涉及电力电子变流技术领域，特别涉及一种功率场效应管的驱动级短路保护装置及保护方法。
背景技术
功率场效应管(POWER MOSFET)自身拥有众多优点，广泛地应用在DC-DC电路中。但是与IGBT相比，功率MOSFET管由于承受短时过载的能力较差，因此难以为其设计合适的驱动保护电路。相比而言，目前成熟的IGBT驱动保护能够在数微秒的时间内将IGBT关断，从而快速有效地降低短路电流，保护IGBT模块。但由于功率MOSFET承受短时过载的能力较差，目前IGBT的驱动保护电路不能直接应用于功率MOSFET的驱动保护上。几乎所有的MOSFET变换器中，MOSFET都是没有驱动级保护功能的，若能将IGBT驱动保护的优势应用在功率MOSFET的驱动保护上，则将大大提高采用功率MOSFET器件的变换器可靠性。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种功率场效应管的驱动级短路保护装置及保护方法，利用IGBT管的分流作用，短路时能够有效保护功率MOSFET管，实现了功率MOSFET管的驱动级短路保护。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种功率场效应管的驱动级短路保护装置，其包括：IGBT管、功率MOSFET管、驱动保护装置、Vce检测电路以及门极驱动电路；
所述IGBT管并联于所述功率MOSFET管的漏极与源极两端；
所述Vce检测电路分别与所述IGBT管的集电极以及基极相连，用于检测所述IGBT管的集电极与基极两端的电压；
所述驱动保护装置分别与所述Vce检测电路以及所述门极驱动电路相连，用于向所述门极驱动电路发出开通和关断信号，还用于当发生短路故障，所述Vce检测电路检测到电压迅速增加并超过保护阈值时，向所述门极驱动电路发出关断信号；
所述门极驱动电路分别与所述功率MOSFET管的门极、所述IGBT管的门极以及所述功率MOSFET管的源极相连，用于根据接收到的开通和关断信号，驱动所述功率MOSFET管以及所述IGBT管的开通和关断。
较佳地，所述门极驱动电路还用于使所述功率MOSFET管与所述IGBT管的开通错开一定时间，使所述功率MOSFET管先开通而后所述IGBT管再开通；以及使所述功率MOSFET管与所述IGBT管的关断错开一定时间，使所述IGBT管先关断而后所述功率MOSFET管再关断。
较佳地，所述门极驱动电路包括：第一门极电阻R1、第二门极电阻R2、第三门极电阻R3以及第四门极电阻R4；
所述第一门极电阻R1为所述IGBT管在开通时的门极电阻；
所述第二门极电阻R2为所述IGBT管在关断时的门极电阻；
所述电三门极电阻R3为所述功率MOSFET管在关断时的门极电阻；
所述第四门极电阻R4为所述功率MOSFET管在开通时的门极电阻；
所述第一门极电阻R1大于所述第四门极电阻R4；所述第二门极电阻R2小于所述第三门极电阻R3。
较佳地，所述驱动保护装置包括：驱动保护芯片以及信号处理器，所述信号处理器与所述驱动保护芯片相连，所述驱动保护芯片分别与所述Vce检测电路以及所述门极驱动电路相连；
所述信号处理器发出PWM信号从而驱动所述功率MOSFET管以及IGBT管的开通与关断；
所述驱动保护芯片在发生短路故障后向所述信号处理器发出FAULT信号，所述信号处理器还用于当接收到FALUT信号后及时的拉低PWM信号，从而驱动功率MOSFET管以及IGBT管关断。
本发明还提供一种功率场效应管的驱动级短路保护方法，其包括以下步骤：
S11：将IGBT管并联于功率MOSFET管的漏极与源极两端；
S12：驱动所述IGBT管以及功率MOSFET管开通，通过检测所述IGBT管的集电极与基极两端的电压Vce来实现短路保护，当发生短路故障时，Vce迅速增加并超过保护阈值，此时驱动所述功率MOSFET管以及IGBT管关断。
较佳地，所述步骤S12中驱动所述IGBT管以及功率MOSFET管开通，具体为：驱动所述功率MOSFET管先开通而后所述IGBT管再开通；以及驱动所述功率MOSFET管以及IGBT管关断，具体为：驱动所述IGBT管先关断而后所述功率MOSFET管再关断。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明的功率场效应管的驱动级短路保护装置及保护方法，在功率MOSFET管的漏极与源极两端并联了IGBT管，利用了短路时电流主要流经IGBT管的特点，通过检测IGBT管的Vce来实现功率MOSFET管的驱动保护，将功率MOSFET管的短时过载压力转移给了IGBT管，大大增加了功率MOSFET管的器件可靠性，且大大提高了功率MOSFET管驱动保护的响应速度；
(2)本发明的功率场效应管的驱动级短路保护装置及保护方法，通过门极驱动电路的设计使功率MOSFET管以及IGBT管的开通和关断错开一定时间，实现了IGBT管的零电压开通和零电压关断，从而大大的降低IGBT的开关损耗；
(3)本发明的功率场效应管的驱动级短路保护装置及保护方法，通过调节功率MOSFET管和IGBT管的开通、关断时的门极电阻，使功率MOSFET管和IGBT管的开通和关断错开一定时间，电路结构简单。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的实施例的功率场效应管的驱动级短路保护装置的示意图；
图2为本发明的实施例的正常导通时的电流主要通路图；
图3为本发明的实施例的短路时的电流主要通路图；
图4为本发明的较佳实施例的门极驱动电路的开通时的门极电流通路图；
图5为本发明的较佳实施例的门极驱动电路的关断时的门极电流通路图；
图6为本发明的另一较佳实施例的门极驱动电路的开通以及关断时的门极电流通路图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1所示为本发明一实施例的功率场效应管的驱动级短路保护装置的示意图。
本发明利用IGBT管和功率MOSFET管的特性差异，提出了一种并联IGBT的新型功率MOSFET驱动保护方案。请参考图1，本实施例的功率场效应管的驱动级保护电路装置包括：IGBT管、功率MOSFET管、驱动保护装置、Vce检测电路以及门极驱动电路，本实施例中，驱动保护装置包括：信号处理器(DSP)以及驱动保护芯片。其中，IGBT管并联于功率MOSFET管的漏极与源极两端；Vce检测电路分别与IGBT管的集电极以及基极相连，用于检测IGBT管的集电极与基极两端的电压；信号处理器与驱动保护芯片相连，驱动保护芯片分别与Vce检测电路以及门极驱动电路相连，信号处理器用于发出PWM信号从而驱动所述功率MOSFET管以及IGBT管的开通与关断；驱动保护芯片还用于当发生短路故障后向信号处理器发出FAULT信号，此时信号处理器还用于当接收到FALUT信号后及时的拉低PWM信号，从而驱动功率MOSFET管以及IGBT管关断；门极驱动电路分别与功率MOSFET管的门极、IGBT管的门极以及功率MOSFET管的源极相连，用于根据接收到的开通和关断信号，驱动功率MOSFET管以及IGBT管的开通和关断。
IGBT管容易实现驱动级的短路电流保护，但与IGBT管相比，功率MOSFET管由于承受短时过载的能力较差，因此难以为其设计合适的驱动级短路保护电路。相比而言，目前成熟的IGBT管驱动级短路保护通过检测IGBT管的集电极和发射极两端的电压Vce来实现驱动保护，当IGBT管所在回路发生短路时，IGBT管的集电极电流迅速增加，Vce也随着电流的增加而增大，IGBT管退出饱和区。当Vce的值超过保护阈值时，驱动保护芯片迅速动作，使IGBT管实现软关断。目前IGBT管的驱动保护方案能够在数微秒的时间内将IGBT管关断，从而快速有效的降低短路电流，保护IGBT模块。但由于功率MOSFET管承受短时过载的能力较差，目前IGBT管的驱动保护电路不能直接应用于功率MOSFET管的驱动保护上。本实施例将IGBT管并联于功率MOSFET的漏极与源极两端，通过检测IGBT管的集电极和基极两端的电压Vce来实现保护。正常导通的情况下，电流比较小，一般在几十安培左右，此时电流主要流经功率MOSFET管，如图2所示。发生短路故障时，短路电流很大，达到数百安培，根据功率MOSFET管和IGBT管的等效导通阻抗判断，此时电流将主要流经IGBT管，如图3所示。短路时，短路电流主要流经IGBT管，IGBT管两端的Vce在几微秒内迅速增加并超过保护阈值，使得驱动保护芯片动作并发出关断信号，从而使功率MOSFET管和IGBT管可靠关断。
本实施例的功率MOSFET管的驱动级短路保护装置，大大提高了功率MOSFET管驱动保护的响应速度；在功率MOSFET管的两端并联了IGBT管，短路时电流主要流经IGBT管，使得短路时流经功率MOSFET的电流减小，利用IGBT的分流作用，短路时能够有效保护功率MOSFET；通过检测IGBT管的Vce来实现功率MOSFET管的驱动保护，将功率MOSFET管的短时过载压力转移给了IGBT管，大大增加了功率MOSFET管的器件可靠性。
较佳实施例中，门极驱动电路还用于使功率MOSFET管与IGBT管的开通和关断错开一定时间，实现了IGBT管的零电压开通和零电压关断，从而大大的降低了IGBT管的开关损耗，因而并未增加主电路的损耗。开通时，功率MOSFET管先开通而IGBT管后开通，由于功率MOSFET先开通，IGBT管开通时集电极和基极两端的电压Vce近似为零，从而实现了IGBT管的零电压开通。关断时，使IGBT管先关断而功率MOSFET后关断，由于IGBT管关断时功率MOSFET管仍处于导通状态，IGBT管的集电极和基极两端的电压Vce近似为零，从而实现了IGBT管的零电流关断。
一实施例中，通过调节功率MOSFET管和IGBT管的开通、关断电阻，使功率MOSFET管和IGBT管的导通和关断错开一定时间，门极驱动电路的电路图如图4、5所示。如图所示，门极驱动电路包括：第一门极电阻R1、第二门极电阻R2、第三门极电阻R3以及第四门极电阻R4；第一门极电阻R1为IGBT管在开通时的门极电阻；第二门极电阻R2为IGBT管在关断时的门极电阻；电三门极电阻R3为功率MOSFET管在关断时的门极电阻；第四门极电阻R4为所述功率MOSFET管在开通时的门极电阻。其中，第一门极电阻R1大于第四门极电阻R4，第二门极电阻R2小于第三门极电阻R3。开通时，电流的流经通路如图4所示，实线表示驱动IGBT管时的电流流经通路，虚线表示驱动功率MOSFET管时的电流流经通路，由于功率MOSFET管在开通时的第四门极电阻R4较小，而IGBT管在开通时的第一门极电阻R1较大，因此功率MOSFET管先于IGBT管开通。关断时，电流的流经通路如图5所示，实线表示驱动IGBT管时的电流流经通路，虚线表示驱动功率MOSFET管时的电流流经通路，由于功率MOSFET管在关断时的第三门极电阻R3较大，而IGBT管在关断时的第二门极电阻R2较小，因此IGBT管先于功率MOSFET管关断。
需要说明的是，门极驱动电路的设计也可以不通过上述电路来实现，也可以通过其他方法来达到使功率MOSFET管和IGBT管的导通和关断错开一定时间的效果，如可以在IGBT管的门极接一个0Ω电阻，在MOSFET管的门极接一个数十欧姆的电阻且在该电阻两边并联一个二极管。开通时，由于功率MOSFET管本身比IGBT管开通速度要快，故功率MOSFET管先于IGBT管开通；关断时，由于功率MOSFET管的门极电阻较大，故IGBT先于功率MOSFET关断。示意图如图6所示，实线表示驱动功率MOSFET管时的电流流经通路，虚线表示驱动功率MOSFET管时的电流流经通路。当然，还有其他可以达到相同效果的电路结构，此处不再一一赘述。
本发明还提供一种功率场效应管的驱动级短路保护方法，一实施例中，包括以下步骤：
S11：将IGBT管并联于功率MOSFET管的漏极与源极两端；
S12：驱动IGBT管以及功率MOSFET管开通，通过检测IGBT管的集电极与基极两端的电压Vce来实现短路保护，当发生短路故障时，Vce迅速增加并超过保护阈值，此时驱动功率MOSFET管以及IGBT管关断。
较佳实施例中，为了降低IGBT管的开关损耗，步骤S12中驱动IGBT管以及功率MOSFET管开通具体为：驱动功率MOSFET管先开通而后IGBT管再开通；以及，
驱动功率MOSFET管以及IGBT管关断具体为：驱动IGBT管先关断而后功率MOSFET管再关断。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种功率场效应管的驱动级短路保护装置，其特征在于，包括：IGBT管、功率MOSFET管、驱动保护装置、Vce检测电路以及门极驱动电路；
所述IGBT管并联于所述功率MOSFET管的漏极与源极两端；
所述Vce检测电路分别与所述IGBT管的集电极以及基极相连，用于检测所述IGBT管的集电极与基极两端的电压；
所述驱动保护装置分别与所述Vce检测电路以及所述门极驱动电路相连，用于向所述门极驱动电路发出开通和关断信号，还用于当发生短路故障，所述Vce检测电路检测到电压迅速增加并超过保护阈值时，向所述门极驱动电路发出关断信号；
所述门极驱动电路分别与所述功率MOSFET管的门极、所述IGBT管的门极以及所述功率MOSFET管的源极相连，用于根据接收到的开通和关断信号，驱动所述功率MOSFET管以及所述IGBT管的开通和关断。
2.根据权利要求1所述的功率场效应管的驱动级短路保护装置，其特征在于，所述门极驱动电路还用于使所述功率MOSFET管与所述IGBT管的开通错开一定时间，使所述功率MOSFET管先开通而后所述IGBT管再开通；以及使所述功率MOSFET管与所述IGBT管的关断错开一定时间，使所述IGBT管先关断而后所述功率MOSFET管再关断。
3.根据权利要求2所述的功率场效应管的驱动级短路保护装置，其特征在于，所述门极驱动电路包括：第一门极电阻R1、第二门极电阻R2、第三门极电阻R3以及第四门极电阻R4；
所述第一门极电阻R1为所述IGBT管在开通时的门极电阻；
所述第二门极电阻R2为所述IGBT管在关断时的门极电阻；
所述电三门极电阻R3为所述功率MOSFET管在关断时的门极电阻；
所述第四门极电阻R4为所述功率MOSFET管在开通时的门极电阻；
所述第一门极电阻R1大于所述第四门极电阻R4；所述第二门极电阻R2小于所述第三门极电阻R3。
4.根据权利要求1所述的功率场效应管的驱动级短路保护装置，其特征在于，所述驱动保护装置包括：驱动保护芯片以及信号处理器，所述信号处理器与所述驱动保护芯片相连，所述驱动保护芯片分别与所述Vce检测电路以及所述门极驱动电路相连；
所述信号处理器发出PWM信号从而驱动所述功率MOSFET管以及IGBT管的开通与关断；
所述驱动保护芯片在发生短路故障后向所述信号处理器发出FAULT信号，所述信号处理器还用于当接收到FALUT信号后及时的拉低PWM信号，从而驱动功率MOSFET管以及IGBT管关断。
5.一种功率场效应管的驱动级短路保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S11：将IGBT管并联于功率MOSFET管的漏极与源极两端；
S12：驱动所述IGBT管以及功率MOSFET管开通，通过检测所述IGBT管的集电极与基极两端的电压Vce来实现短路保护，当发生短路故障时，Vce迅速增加并超过保护阈值，此时驱动所述功率MOSFET管以及IGBT管关断。
6.根据权利要求5所述的功率场效应管的驱动级短路保护方法，其特征在于，所述步骤S12中驱动所述IGBT管以及功率MOSFET管开通，具体为：驱动所述功率MOSFET管先开通而后所述IGBT管再开通；以及驱动所述功率MOSFET管以及IGBT管关断，具体为：驱动所述IGBT管先关断而后所述功率MOSFET管再关断。
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