CN110492439B - 适用于大功率SiCMOSFET的保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及SiCMOSFET的保护电路，具体为适用于大功率SiCMOSFET的保护电路。解决现有大功率器件保护电路短路故障响应速度慢，过压抑制响应速度慢的问题。该保护电路包括短路保护电路和过压抑制保护电路；短路保护电路包括由多个电阻串联而成的电阻支路，电阻支路的一端与SiCMOSFET的D极连接、另一端与电容C1的一端连接并把该端作为短路信号输出端VDS，电容C1的另一端与－4V电源连接；过压抑制保护电路包括由多个TVS管单向串联而成的TVS管支路，TVS管支路中的每个TVS管两端并联一个电容，TVS管支路的负极端与SiCMOSFET的D极连接，TVS管支路的正极端作为抑制过压信号输出端ACL。
Description
技术领域
本发明涉及SiCMOSFET的保护电路，具体为适用于大功率SiCMOSFET的保护电路。
背景技术
随着电力电子技术在大功率变流技术、轨道交通领域的不断扩展，对电力电子变换器的效率和功率密度提出了更高的要求。功率半导体器件处于现代电力电子变换器的心脏地位，它对装置的可靠性、成本和性能起着十分重要的作用。目前，基于硅材料的IGBT、MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）等大功率半导体器件，其性能已逼近材料物理特性决定的理论极限；难以通过技术革新和工艺改进获得器件性能的大幅度提升。在大功率变流器效率、功率密度和可靠性有更高要求的电力电子系统中，基于SiC材料的功率器件成为更优的选择。
作为新一代功率半导体器件，SiC MOSFET具有导通电阻小、高频特性好、耐高温等优良特性，新型功率半导体器件的应用，将更进一步提高变流装置的能量传输效率。装配大功率SiC MOSFET的功率变换单元，作为轨道交通车载变流器关键部件，同时也是新型器件在轨道交通车辆的首次应用，因此其驱动保护电路的设计对整车可靠运行有重要意义。
现有轨道交通应用的大功率器件过压抑制保护电路采用传统有源箝位电路，仅能实现Si-IGBT的过压保护功能，不满足SiC MOSFET器件快速响应的要求。大功率SiCMOSFET开关速度快，现有过压抑制保护电路在故障工况关断SiC MOSFET时，过压抑制响应速度慢，导致的关断电压尖峰高，超出器件安全工作区而损坏。
现有轨道交通应用的大功率器件短路保护电路在8us内安全关断器件，仅能实现Si-IGBT的短路保护功能，不满足SiC MOSFET器件短路时刻快速关断的要求。大功率SiCMOSFET的最大短路耐受时间为2us，现有驱动保护装置在SiC MOSFET短路故障发生后，无法在如此有限的时间内安全关断。
现有功率器件的过压抑制保护电路有抑制过压信号输出端ACL,反馈到功率器件驱动器控制电路，对功率器件实施过电压抑制；现有功率器件的短路保护电路有短路信号输出端VDS, 短路信号使功率器件驱动器控制电路可靠关断功率器件。
发明内容
本发明解决现有大功率器件保护电路无法适用于大功率SiCMOSFET，即短路故障响应速度慢导致的功率器件容易损坏，过压抑制响应速度慢导致的关断电压尖峰高的问题，提供一种适用于大功率SiCMOSFET的保护电路。
本发明是采用如下技术方案实现的：适用于大功率SiCMOSFET的保护电路，包括短路保护电路和过压抑制保护电路；短路保护电路包括由多个电阻串联而成的电阻支路，电阻支路的一端与SiCMOSFET的D极连接、另一端与电容C1的一端连接并把该端作为向SiCMOSFET驱动器控制电路提供短路信号的短路信号输出端VDS，电容C1的另一端与－4V电源连接；过压抑制保护电路包括由多个TVS管（瞬变电压抑制二极管）单向串联而成的TVS管支路（单向串联是前一个TVS管的正极或负板与后一个TVS管的负极或正极相连），TVS管支路中的每个TVS管两端并联一个电容，TVS管支路的负极端与SiCMOSFET的D极连接，TVS管支路的正极端作为向SiCMOSFET驱动器控制电路反馈抑制过压信号的抑制过压信号输出端ACL。变流器发生短路时，SiC MOSFET通过电阻支路对电容C1快速充电，当C1电位（短路信号输出端VDS电位）达到设定阈值,驱动器控制电路保证在2us内可靠关断SiC MOSFET。过压抑制保护电路的工作过程是：正常工作状态下，抑制过压信号输出端ACL通过TVS管支路向SiCMOSFET驱动器控制电路反馈常态电压值信号；在变流器过压故障时刻（如，变流器短路关断时刻或其它电压突变时刻），抑制过压信号输出端ACL通过每个TVS管两端并联的电容快速向SiCMOSFET驱动器控制电路反馈异于（高于或低于）常态电压值的信号，使SiCMOSFET驱动器控制电路快速抑制SiCMOSFET过电压。
在变流器过压故障时刻，由于SiC MOSFET开关速度快，会产生很高的电压尖峰，此时功率器件极易损坏；本发明在传统动态有源箝位的基础上，增加du/dt保护，即电路中有一个串联的电容链，当电压变化率较大时，过压检测的响应速度极快，快速降低最大漏-源极斜率，快速抑制过电压，快速减小电压尖峰。同时本发明所述的过压抑制保护电路反馈到大功率器件门极的波形更平稳，不会出现传统过压抑制保护电路造成的门极冲击，减小门极失效的可能性。在变流器短路故障时刻，电路通过短路检测电路对SiC MOSFET的DS之间的电压进行采集，可在2μs快速关断功率器件。本发明采用电阻分压采集电路，采集的VDS信号反馈到驱动装置用于判定短路故障，本发明设计栅极使用的+20V/-4V信号控制。
本发明在SiC MOSFET器件过压、短路故障时刻，在有限时间快速关断功率器件，可靠保护器件；本发明尤其适用于1700V电压等级的全SiC MOSFET器件，随着大功率SiC技术的飞速发展，可根据不同电压等级的SiC MOSFET器件需求调整保护电路电阻、TVS、电容等元件的数值和数量，使得保护电路装置能适用并兼容更高等级的新型大功率SiC MOSFET；本发明兼容市面规模应用的小功率全SiC MOSFET模块，同时填补国内大功率SiC MOSFET应用技术领域空白；为后续更大功率SiC器件应用研究节约研发成本，缩短研发周期。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
具体实施方式
适用于大功率SiCMOSFET的保护电路，包括短路保护电路和过压抑制保护电路；短路保护电路包括由多个电阻串联而成的电阻支路，电阻支路的一端与SiCMOSFET的D极连接、另一端与电容C1的一端连接并把该端作为向SiCMOSFET驱动器控制电路提供短路信号的短路信号输出端VDS，电容C1的另一端与－4V电源连接；过压抑制保护电路包括由多个TVS管（瞬变电压抑制二极管）单向串联而成的TVS管支路，TVS管支路中的每个TVS管两端并联一个电容，TVS管支路的负极端与SiCMOSFET的D极连接，TVS管支路的正极端作为向SiCMOSFET驱动器控制电路反馈抑制过压信号的抑制过压信号输出端ACL。该保护电路用于1700V电压等级的SiC MOSFET时，电阻支路由十个电阻R17-R26串联而成；TVS管支路由六个TVS管D10、D12-D16单向串联而成；其中，最后一个TVS管即与抑制过压信号输出端ACL连接的TVS管为双向TVS管（防止功率器件G极电流流向D极）。具体实施时，双向TVS管与抑制过压信号输出端ACL之间还设置有绝缘栅双极型晶体管（IGBT）Q2，Q2的门极经电阻R16与SiCMOSFET的栅极G（也称门极）相连，同时Q2的门极与稳压二极管D8的阴极相连，稳压二极管D8的阳极与二极管D9的阳极相连，二极管D9的阴极与SiCMOSFET的栅极G相连；Q2的集电极与双向TVS管的一端相连，Q2的发射极与抑制过压信号输出端ACL相连，Q2的集电极还与TVS管D7的阴极相连，TVS管D7的阳极与Q2的发射极相连，TVS管D7的两端并联有电容C18；Q2的门极还分别经电阻R15、电容C11与抑制过压信号输出端ACL相连；抑制过压信号输出端ACL与SiCMOSFET的栅极G之间还连接有二极管D5，二极管D5的阳极与抑制过压信号输出端ACL相连，二极管D5的阴极与SiCMOSFET的栅极G相连。Q2的设置，将箝位阈值设置成动态的，功率器件开通和关断在两个箝位阈值下工作。D5防止G极电流流入ACL。R15、C11以及D8 、D9、R16都是辅助电路控制Q2的开通、关断，C18的作用主要是瞬时快速响应。
短路保护电路还包括电阻R4、二极管D2、电阻R5、二极管D11、电容C10，电阻R4连接于电阻支路另一端与电容C1一端之间，电阻支路另一端分别经二极管D2、电阻R5与－4V电源相连，其中二极管D2的阳极与－4V电源相连，电阻支路另一端还经二极管D11与+20V电源相连，其中二极管D11的阴极与+20V电源相连；电容C10连接于+20V电源与SiCMOSFET的源极S之间（R4、R5动态地优化检测阈值以及调整响应时间。D2 、D11限幅二极管，主要作用箝-4V和20V栅极驱动电压。电容C10是滤波作用）。
现有大功率器件保护电路与器件多采用双绞线连接，驱动控制回路耦合电容，杂散电感大，本发明的保护电路配置在一块电路板上，直插于SiC MOSFET，增强驱动回路的抗干扰性。
Claims (5)
1.一种适用于大功率SiCMOSFET的保护电路，包括短路保护电路和过压抑制保护电路；其特征在于，短路保护电路包括由多个电阻串联而成的电阻支路，电阻支路的一端与SiCMOSFET的D极连接、另一端与电容C1的一端连接并把该端作为向SiCMOSFET驱动器控制电路提供短路信号的短路信号输出端VDS，电容C1的另一端与－4V电源连接；过压抑制保护电路包括由多个TVS管单向串联而成的TVS管支路，TVS管支路中的每个TVS管两端并联一个电容，TVS管支路的负极端与SiCMOSFET的D极连接，TVS管支路的正极端作为向SiCMOSFET驱动器控制电路反馈抑制过压信号的抑制过压信号输出端ACL；
短路保护电路还包括电阻R4、二极管D2、电阻R5、二极管D11、电容C10，电阻R4连接于电阻支路另一端与电容C1一端之间，电阻支路另一端分别经二极管D2、电阻R5与－4V电源相连，其中二极管D2的阳极与－4V电源相连，电阻支路另一端还经二极管D11与+20V电源相连，其中二极管D11的阴极与+20V电源相连；电容C10连接于+20V电源与SiCMOSFET的源极S之间。
2.根据权利要求1所述的适用于大功率SiCMOSFET的保护电路，其特征在于，电阻支路由十个电阻串联而成；TVS管支路由六个TVS管单向串联而成。
3.根据权利要求2所述的适用于大功率SiCMOSFET的保护电路，其特征在于，最后一个TVS管即与抑制过压信号输出端ACL连接的TVS管为双向TVS管。
4.根据权利要求3所述的适用于大功率SiCMOSFET的保护电路，其特征在于，双向TVS管与抑制过压信号输出端ACL之间还设置有绝缘栅双极型晶体管Q2，Q2的门极经电阻R16与SiCMOSFET的栅极G相连，同时Q2的门极与稳压二极管D8的阴极相连，稳压二极管D8的阳极与二极管D9的阳极相连，二极管D9的阴极与SiCMOSFET的栅极G相连；Q2的集电极与双向TVS管的一端相连，Q2的发射极与抑制过压信号输出端ACL相连，Q2的集电极还与TVS管D7的阴极相连，TVS管D7的阳极与Q2的发射极相连，TVS管D7的两端并联有电容C18；Q2的门极还分别经电阻R15、电容C11与抑制过压信号输出端ACL相连；抑制过压信号输出端ACL与SiCMOSFET的栅极G之间还连接有二极管D5，二极管D5的阳极与抑制过压信号输出端ACL相连，二极管D5的阴极与SiCMOSFET的栅极G相连。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的适用于大功率SiCMOSFET的保护电路，其特征在于，保护电路配置在一块电路板上，直插于SiC MOSFET。
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