CN110635792B - 一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护电路及方法，包括：逻辑单元、驱动单元、短路保护单元、VDS检测单元以及VG检测单元，本发明采用降低栅极电压VG的方法抑制短路电流，从而降低短路故障对器件的冲击，减小了短路损耗，增大了短路耐受时间。当SiC MOSFET发生一类短路时，漏极电压VDS将不会下降至导通压降，本发明通过判断漏极电压VDS是否下降至导通压降来选择开通瞬态的栅极驱动电压，使栅极电压VG钳位在较低的驱动电压等级；当SiC MOSFET发生二类短路时，栅极电压VG将会发生突变，形成电压尖峰，本发明通过判断导通状态时栅极电压VG是否出现电压尖峰来选择导通状态的栅极驱动电压，可在短路时将栅极电压VG钳位在较低的驱动电压等级；此外本发明电路不影响正常开通过程，确保了SiC MOSFET开通瞬态的快速性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护电路及方法，属于电力电子技术领域。
背景技术
碳化硅(SiC)作为一种新型的宽禁带半导体材料，因其出色的物理及电特性正越来越受到电力电子行业的广泛关注。作为第三代功率半导体器件，SiC功率器件将成为未来功率变换器的主导器件。SiC MOSFET因其低导通电阻，高开关速率等性能优点，被认为是最有可能取代目前广泛应用的Si IGBT，然而在实际工程应用中，其过高的栅极电压使得SiCMOSFET的短路电流将会达到额定电流的近十倍之多，使得短路损耗和结温温升较为严重，SiC MOSFET的短路耐受时间相比于相同规格的Si IGBT大大缩短。这就提高了对SiCMOSFET短路保护电路的设计要求。目前最为常用的短路保护电路是基于漏极电压的检测法，该方法的电路最为简单，但当发生一类短路时，为了避免误报故障，通常设置较长的消隐时间，导致短路故障持续时间被延长，而当发生二类短路时，其短路检测电路中滤波电容也会增加检测时间，因而采用该电路时，其短路损耗较高，增加了短路功率器件的冲击，此外在关断时过高的短路电流会增加漏极的过压尖峰，增加了漏极击穿的风险。
发明内容
本发明旨在克服现有技术上的不足，提出一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护电路及方法。该系统在传统短路故障保护的基础上，在不影响正常开通性能的前提下，能够降低短路电流，从而降低短路故障对器件的冲击，技术方案如下：
一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护电路及方法，包括：逻辑单元，驱动单元，短路保护单元、VDS检测单元以及VG检测单元，其中：
所述的驱动单元，用于向待测SiC MOSFET栅极提供开通与关断的驱动电压，以及在发生短路时降低驱动电压；
所述的短路保护单元，用于检测短路故障，并输出故障信号；
所述的VDS检测单元，用于检测待测SiC MOSFET的漏极电压VDS的状态，判断漏极电压是否进入导通压降状态，并输出漏极状态信号；
所述的VG检测单元，用于检测待测SiC MOSFET的栅极电压VG的状态，判断是否出现栅极过压尖峰，并输出栅极状态信号；
所述的逻辑单元，用于对故障信号、漏极状态信号、栅极状态信号以及开关信号进行逻辑组合，输出逻辑控制信号；
作为本发明的一种改进，所述的逻辑单元可采用数字芯片CPLD实现逻辑控制，逻辑程序更改较为方便，但需要增设电平转换电路，也可采用与、非门搭建模拟电路实现逻辑控制，该模拟电路无需电平转换，逻辑延时较短，但逻辑形式无法更改。
作为本发明的一种改进，所述的驱动单元包括两个正驱动电压和一个负驱动电压，其中较大的正驱动电压和负驱动电压用于提供待测SiC MOSFET正常开通和关断状态的栅极电压，另一个较小的正驱动电压用于在发生一类短路和二类短路时限制栅极电压。
作为本发明的一种改进，所述的驱动单元为保证待测SiC MOSFET正常开通速率，较小正驱动电压电路的栅极电阻要小于较大的正驱动电压电路的栅极电阻。
作为本发明的一种改进，所述的VDS检测单元采用快速高压二极管电路将检测电路与漏极高电压相隔离，漏极电压检测单元与短路保护单元可共用该二极管电路，以减少器件数量。
作为本发明的一种改进，所述VG检测电路采用滞环比较器，该比较器可以迅速检测到短路故障，实现SiC MOSFET快速关断，从而抑制短路电流。
作为本发明的一种改进，所述的一类短路电流抑制方法为：一类短路故障发生在SiC MOSFET开通瞬态，VDS检测单元实时检测漏极电压状态，当发生一类短路时，由于漏极电压始终保持为高电压状态，驱动单元在开通瞬态始终向栅极提供较小的正驱动电压，依据功率器件的输出特性，较小的栅极电压对应的短路电流将会减小，从而抑制了短路电流，直至短路保护单元检测到短路故障，驱动将SiC MOSFET关断。
作为本发明的一种改进，所述的二类短路电流抑制方法为：二类短路故障发生在SiC MOSFET导通状态，VG检测单元实时检测栅极电压状态，当发生二类短路时，栅极电压将会发生突变，形成较高的电压尖峰，当栅极电压超过一定阈值时，驱动提高短路保护单元的检测阈值，快速关断SiC MOSFET，从而抑制了短路电流。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明电路在传统驱动中增设较少的器件，能够将栅极电压拉低至小于正常导通时的栅极电压，从而对一类短路和二类短路电流进行抑制，降低了因过高的短路损耗产生的结温波动对器件的冲击；短路电流的下降也使得关断损耗大大减小，并能降低关断的过压尖峰；在正常运行过程中，通过设置栅极电阻参数，能够保证SiC MOSFET正常开通速率。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的电路原理图；
图3为SiC MOSFET转移特性曲线示意图；
图4为传统开通瞬态波形图；
图5为本发明开通瞬态波形图；
图6为传统一类短路保护波形图；
图7为本发明一类短路保护波形图；
图8为传统二类短路保护波形图；
图9为本发明二类短路保护波形图；
具体实施方式：
为了能够更清楚地理解本发明内容，下面结合附图及具体实施方式对本发明进行说明。
本发明各单元连接关系参照图1所示。
实施例：一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护电路及方法，包括：逻辑单元、驱动单元、短路保护单元、VDS检测单元以及VG检测单元，其中：逻辑单元第一输入端和短路保护单元第一输入端连接驱动信号Vpulse，逻辑单元第二输入端与短路保护单元第一输出端相连，并输出故障信号Vpulse，逻辑单元第三输入端与VDS检测单元第一输出端相连，逻辑单元第四输入端与VG检测单元第一输出端、短路保护单元第二输入端相连，逻辑单元第一输出端和第二输出端分别与驱动单元第一输入端和第二输入端相连，短路保护单元第三输入端与VDS检测单元第二输出端相连，VDS检测单元第一输入端与待测SiC MOSFET漏极相连，驱动单元第一输出端与VG检测单元第一输入端、待测SiC MOSFET栅极相连。
本实施例提供的各单元具体器件原理图如图2所示。
所述的驱动单元，用于向待测SiC MOSFET栅极提供开通与关断的驱动电压，以及发生短路时降低驱动电压；包括：与非门Ga1、P型MOS M1、N型MOS M2、P型MOS M3、栅极电阻Rg1、栅极电阻Rg2、栅极电阻Rg3、二极管Dg1、正驱动电压Vcc、正驱动电压Vcc1、负驱动电压Vee，其中：Ga1的第一输入端连接驱动信号Vpulse，Ga1的第二输入端连接故障信号Vfault，Ga1的输出端与M2的栅极、M3的栅极相连，M3的发射极与正驱动电压Vcc1相连，M3的漏极与Rg3的一端相连；Rg3的另一端与Dg1的阳极相连，M2的发射极与负驱动电压Vee相连，M2的漏极与Rg2的一端相连，M1的发射极与正驱动电压Vcc相连，M1的漏极与Rg1的一端相连。
正驱动电压Vcc和负驱动电压Vee分别用于提供待测SiC MOSFET正常导通和关断状态的栅极电压，正驱动电压Vcc1则用于在发生发生一类短路和二类短路时限制栅极电压，且Vcc大于Vcc1；Dg1用于防止M1和M3同时导通时Vcc与Vcc1形成电流回路。
为减小正常导通时的导通压降，设置正驱动电压Vcc＝20V，为防止关断时串扰影响，设置负驱动电压Vee＝-5V，Vcc1的值不宜过低，否则会影响短路故障检测，设置Vcc1＝15V。
所述的短路保护单元，用于检测短路故障，并输出故障信号，包括：非门Ga2、二极管D1、电阻R1、电阻R2、电容C1和比较器U1；其中，Ga2的输入端与驱动信号Vpulse相连，Ga1的输出端与D1的阳极相连，D1的阴极与R1一端、C1一端、R2一端相连，R1另一端与正驱动电压Vcc1相连，C1另一端接地，U1的输出端输出短路故障信号Vpulse。
所述的VDS检测单元，用于检测待测SiC MOSFET的漏极电压，判断漏极电压是否进入导通压降状态，并输出漏极状态信号。包括：二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R3、电容C2和比较器U2；其中，D2的阴极与待测SiC MOSFET的漏极相连，D2的阳极与D3的阳极、D4的阴极、R3的一端、C2的一端、U1的负输入端、U2的负输入端相连，D3的阴极与R3的另一端、正驱动电压Vcc1相连，C2的另一端与D4的阳极接地，U2的正输入端连接参考电压Vref1，U2的输出端输出漏极检测信号Vp1。
二极管D2为快速高压型二极管，可由数个二极管串联等效而成，其反向击穿电压要高于待测SiC MOSFET的额定电压，D2将检测电路与漏极高电压相隔离，D3、D4、R3和C2组成钳位电路，用于限制比较器U2和U1的输入电压，VDS检测单元与短路保护单元共用二极管D2和钳位电路；参考电压Vref1小于驱动电压Vcc1。
所述的VG检测单元，用于检测待测SiC MOSFET的栅极电压VG的状态，判断是否出现栅极过压尖峰，并输出栅极状态信号，包括：非门Ga3、N型MOS M5、运算放大器U3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，其中：Ga3的输出端与M5的栅极相连，并输出栅极检测信号Vp2，Ga3的输入端与U3的输出端、R7的一端相连，U3的负输入端与R4的一端、R5的一端相连，R4的另一端与Rg1的另一端、Rg2的另一端、Dg1的阴极、待测SiC MOSFET的栅极相连，R5的另一端接地，U3的正输入端与R7的另一端、R6的一端相连，R6的另一端连接参考电压Vref2，M5的源极接地，M5的漏极与R2另一端、U1的正输入端相连。
VG检测单元中U3的正供电电压为V+，负供电电压为V-，为了减少驱动板中的电源，设置V+＝Vcc1，V-接地，参考电压Vref2为正值，且：
其中：Vt1为栅极的短路参考电压，在二类短路故障中，当栅极电压超过该值时，VG检测单元将判断发生短路故障，此时U3输出电压由Vcc1转换为0V；Vt2为栅极的关断参考电压，当栅极电压小于该值时，U3输出电压由0V转换为Vcc1。
所述的逻辑单元，用于对故障信号、漏极状态信号、栅极状态信号以及开关信号进行逻辑组合，向驱动单元输出栅极控制信号，可采用数字芯片FPGA或CPLD实现逻辑控制，也可采用与、非门搭建模拟电路实现逻辑控制；本实施例采用与、非门搭建的模拟电路，包括：与非门Ga4、与门Ga5、与门Ga6和与门Ga7，其中：Ga4的第一输入端、Ga5的第一输入端、Ga6的第一输入端连接Vpulse，Ga4的第二输入端连接Vp2，Ga4的输出端与Ga5的第二输入端相连，Ga5的输出端与Ga7的第一输入端相连，Ga6的输出端与Ga7的第二输入端相连，Ga7的输出端与M1的栅极相连。
本实施例根据图3所示的SiC MOSFET的输出特性，详细介绍本发明的可行性，图3的横坐标为SiC MOSFET的漏源极电压VDS，纵坐标为SiC MOSFET的漏极电流ID。SiC MOSFET的输出特性分为截止区、饱和区和欧姆区，SiC MOSFET开通瞬态由截止区进入到饱和区，再进入到欧姆区开始导通，当发生一类短路时，SiC MOSFET在由截止区进入到饱和区后，将始终工作在饱和区，当发生二类短路时，SiC MOSFET由欧姆区进入到饱和区，从图中可以看出，在饱和区漏极电压VDS相同的情况下，漏极电流ID随着栅极电压VG的升高而增大，因而通过减小栅极电压的方法降低一类和二类短路电流是可行的。
下面结合图2介绍本实施例的工作原理。
当SiC MOSFET为关断状态时，驱动信号Vpulse为低电平，通过Ga1将M3关断，将M2导通，栅极电压为负驱动电压Vee，在VG检测单元中，U3的负输入端电压为小于正输入端电压，因而U3的输出端电压为Vcc1，Ga3的输出信号Vp2为低电平，使M4为关断状态；在VDS检测单元和短路保护单元中，Ga2输出电压为Vcc，则U1的正输入端电压为Vcc与D1的导通压降之差，由于漏极电压VDS为系统母线电压，则U1和U2的负输入端电压为Vcc1与D3的导通压降之和，小于比较器U1的正输入端电压，但超过了参考电压Vref1，因而U1输出电压Vfault为高电平，U2输出电压Vp1为低电平，逻辑单元将M1关断，并开通M2，SiC MOSFET处在截止区，漏极电流ID为0。
当驱动信号Vpulse由低电平转换为高电平时，SiC MOSFET进入开通瞬态，Vpulse通过Ga1将M2关断，M3导通，驱动单元向栅极提供正驱动电压Vcc1，SiC MOSFET由截止区进入饱和区，漏极电流ID开始上升，在短路保护单元中，Vpulse的变化使得Ga1输出低电平，受D1的反向截止特性，U1正输入端电压开始下降，下降的时间常数τ＝R1C1，最终会降到Vcc1，时间常数τ即为传统短路保护方法的消隐时间。
在漏极电流ID上升过程中，漏极电压VDS受外部杂散电感的影响，虽然有所下降，但仍为高电压，U1和U2输出电压保持不变，因而M1仍为关断状态，栅极电压虽然上升但在整个开通瞬态不会高于Vcc，则U3输出电压也不变，Vp2保持为低电平。
为保证较高的开通速率，Rg3必须要小于Rg1，该阶段的栅极电压VG由下式表达：
其中Ciss为SiC MOSFET输入电容。
而传统驱动方法直接采用正驱动电压Vcc向栅极供电，因而栅极电压为：
为了保证本发明不影响SiC MOSFET开通速率，式子(3)和式子(4)必须相等，利用泰勒公式得到电阻Rg3的值约为：
当SiC MOSFET为正常开通过程时，漏极电流ID上升至负载电流后，SiC MOSFET由饱和区向欧姆区移动，漏极电压VDS开始迅速下降至导通压降Vsat，U1和U2的负输入端电压迅速下降并小于U1正输入端电压和Vref1，因而Vfault保持为高电平，而U2的负输出端电压Vp1转换为高电平，通过逻辑单元使M1导通，受二极管Dg1反向截止特性，正驱动电压Vcc1被截止，驱动单元向栅极提供正驱动电压Vcc，SiC MOSFET进入正常导通状态。
采用LTspice软件对正常开通瞬态过程进行仿真，图4为传统开通瞬态波形，在第5μs时，SiC MOSFET开通，驱动单元向栅极电压提供20V正驱动电压，开通时间为0.6μs；图5为采用本发明的开通瞬态波形，驱动单元首先向栅极电压提供15V正驱动电压，直至漏极电压VDS降至导通压降后，驱动单元向栅极电压切换为20V正驱动电压，开通时间也为0.6μs；从图4和图5比较可以看出，采用本发明不影响正常开通瞬态的速率。
当SiC MOSFET发生一类短路时，漏极电流ID继续迅速上升，漏极电压VDS迅速恢复至系统母线电压，因而SiC MOSFET始终处于饱和区，U1和U2的负输入端电压仍为Vcc与D1的导通压降之和，比较器U2输出为低电平，因而M1不会开通，栅极电压仍为Vcc1，ID最终上升至栅极电压VG＝Vcc1时所对应的最大电流值，从而抑制了短路电流，直至经过了消隐时间后，U1的正输入端电压下降至Vcc1，小于U1的负输入端电压，短路保护单元检测到短路故障，Vfault转换为低电平，使M3关断，M2开通，驱动将SiC MOSFET关闭。
采用LTspice软件对一类短路进行仿真，图6为未进行短路电流抑制的一类短路保护波形，在第5μs时，SiC MOSFET开通，栅极电压为20V，短路电流ID最大值为1.17kA，在第6.9μs时SiC MOSFET关闭，关断过压VDS为330V；图7为采用本发明的一类短路保护波形，栅极电压限制在15V，导致短路电流ID最大值为606A，在关断瞬态，关断过压VDS为140V；从图8和图9比较可以看出，采用本发明的一类短路电流抑制电路，能够有效地抑制短路电流，并降低关断过压。
当SiC MOSFET发生二类短路时，漏极电流ID从负载电流发生突变，导通压降Vsat迅速上升，并通过米勒电容向栅极充电，栅极电压VG由Vcc瞬间上升，形成栅极电压尖峰，当栅极电压超过Vt1时，U3输出电压反转为低电平，使得Ga3的输出电压Vp2转换为高电平Vcc，逻辑单元将M1关断，同时将M5开通，使U1的正输入端接地，小于U1的负输入端电压，短路保护单元迅速检测到短路故障，Vfault转换为低电平，使M2开通，驱动将SiC MOSFET关闭。
采用LTspice软件对二类短路进行仿真，图8为未进行短路电流抑制的二类短路保护波形，在第11μs时，发生二类短路，短路电流ID最大值为1kA，在第12μs时SiC MOSFET关闭，关断瞬态关断过压VDS为287V；图9为采用本发明的二类短路保护波形，当发生二类短路时，驱动迅速检测到短路故障，在第11.3μs时，驱动检测到短路故障并将SiC MOSFET关断，短路电流ID最大值为330A，关断过压为189V。从图8和图9比较可以看出，采用本发明的二类短路通过快速检测到短路故障及时关断器件，能够有效地抑制短路电流，并降低关断过压。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护电路，包括：逻辑单元，驱动单元，短路保护单元、VDS检测单元以及VG检测单元，其特征在于：
所述的驱动单元，用于向待测SiC MOSFET栅极提供开通与关断的驱动电压，以及在发生短路时降低驱动电压；
所述的短路保护单元，用于检测短路故障，并输出故障信号；
所述的VDS检测单元，用于检测待测SiC MOSFET的漏极电压VDS的状态，判断漏极电压是否进入导通压降状态，并输出漏极状态信号；
所述的VG检测单元，用于检测待测SiC MOSFET的栅极电压VG的状态，判断是否出现栅极过压尖峰，并输出栅极状态信号；
所述的逻辑单元，用于对故障信号、漏极状态信号、栅极状态信号以及开关信号进行逻辑组合，向驱动单元输出栅极控制信号；
所述的逻辑单元采用数字芯片CPLD实现逻辑控制，或采用与、非门搭建模拟电路实现逻辑控制；
所述的驱动单元提供两个正驱动电压和一个负驱动电压，其中较大的正驱动电压和负驱动电压分别用于提供待测SiC MOSFET正常导通和关断状态的栅极电压，另一个较小的正驱动电压用于在发生一类短路和二类短路时限制栅极电压，
所述的驱动单元为保证待测SiC MOSFET正常开通速率，较小正驱动电压电路的栅极电阻要小于较大的正驱动电压电路的栅极电阻。
2.根据权利要求1所述的一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护电路，其特征在于，所述的VDS检测单元采用快速高压二极管电路将检测电路与漏极高电压相隔离，漏极电压检测单元与短路保护单元共用该二极管电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护电路，其特征在于，所述VG检测单元采用滞环比较器。
4.一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护方法，其特征在于，采用权利要求1-3任意一项所述的基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护电路，所述的一类短路电流抑制方法为：一类短路故障发生在SiC MOSFET开通瞬态，VDS
检测单元实时检测漏极电压状态，当发生一类短路时，由于漏极电压始终保持为高电压状态，驱动单元在开通瞬态始终向栅极提供较小的正驱动电压，依据功率器件的输出特性，较小的栅极电压对应的短路电流将会减小，从而抑制了短路电流，直至短路保护单元检测到短路故障，驱动将SiC MOSFET关断。
5.根据权利要求4所述的一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护方法，其特征在于，所述的二类短路电流抑制方法为：二类短路故障发生在SiC MOSFET导通状态，VG检测单元实时检测栅极电压状态，当发生二类短路时，栅极电压将会发生突变，形成较高的电压尖峰，当栅极电压超过一定阈值时，驱动单元由较大的正驱动电压切换为较小的正驱动电压，以降低栅极电压，从而抑制了短路电流，直至短路保护单元检测到短路故障，驱动将SiCMOSFET关断。
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