CN110995222B - 一种GaN功率开关器件的短路保护装置 - Google Patents

一种GaN功率开关器件的短路保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GaN功率开关器件的短路保护装置，属于电力电子领域。该装置包括短路状态检测模块、信号处理模块和驱动模块；所述短路状态检测模块包括耦合电感采样电路和比较电路；所述GaN功率开关器件位于PCB板上，利用PCB走线或外置铜箔构成耦合电感，用于感应所述GaN功率开关器件上通过的电流；所述耦合电感采样电路包括原边电路和副边电路，原边电路包括被测器件和原边电感，其中原边电感由所述PCB走线或外置铜箔的寄生杂散电感产生，副边电感由耦合线圈的电感产生。本发明采用电感耦合的方式实现短路电流的采样，损耗更低且集成度更高，并且在尽可能减少电路拓扑复杂度的情况下实现了对功率开关器件的快速短路保护。

Description

一种GaN功率开关器件的短路保护装置
技术领域
本发明属于电力电子领域，更具体地，涉及一种GaN功率开关器件的短路保护装置。
背景技术
面对更高的额定功率和更广泛的应用需求，氮化镓(GaN)成为极具前景的下一代功率开关。氮化镓高电子迁移率晶体管(Gallium Nitride High Electron MobilityTransistor，GaN HEMT)是基于GaN材料的半导体功率器件。在同样的耐压条件下，其与硅基MOSFET相比主要有低导电电阻、高电流密度、快速开关速度和高功率密度等优点。GaN HEMT的这些特点使其更加符合未来的发展要求，因此具有非常广阔的前景与市场。随着该类产品市场需求的不断增加，GaN功率开关器件的相关问题正得到广泛研究。为了提高电力电子开关器件在应用中的可靠性，防止其在工作过程中的损害，需要对电力电子开关器件进行相关保护电路的设计。其中，短路(过流)保护电路的设计十分重要，且由于GaN HEMT的高频特性，相比其他元件该器件的短路电流保护(SCP)电路面临更大的挑战。部分GaN功率器件短路耐受时间为ns级别。
现有的短路检测技术总体分为以下几种：
①门极驱动的退饱和检测；
②使用电流检测电阻；
③通过检测共源电感的电压进行di/dt检测；
④通过电流互感器实现过流短路检测。
然而这些传统的检测方法并不适用于GaN功率开关器件。其中，退饱和检测需要消隐时间，在一些故障情况下退饱和时间较长，一般检测时间为us级别；使用电流检测电阻为电路增加了额外的损耗；利用共源电感则使电路增加了额外的寄生电感影响器件的性能；而电流互感器的使用属于插入式耦合方式，电路的耦合系数较低，使得检测精度不高。因此，针对高频电力电子开关器件的应用场合，尤其是高频高性能的GaN功率开关器件，亟需一种损耗低、反应速度快且检测精度较高的功率开关器件短路保护装置。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种GaN功率开关器件的短路保护装置，旨在解决现有高频电力电子开关器件的短路保护损耗高、保护反应速度较慢的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种GaN功率开关器件的短路保护装置，包括短路状态检测模块、信号处理模块和驱动模块；所述短路状态检测模块包括耦合电感采样电路和比较电路；
所述GaN功率开关器件位于PCB板上，利用PCB走线或外置铜箔构成耦合电感，用于感应所述GaN功率开关器件上通过的电流；所述耦合电感采样电路包括原边电路和副边电路，原边电路包括被测器件和原边电感，其中原边电感由所述PCB走线或外置铜箔的寄生杂散电感产生，副边电感由耦合线圈的电感产生。
进一步地，所述耦合线圈通过在所述PCB板上绕线而成。
进一步地，所述副边电路包括副边电感、二极管、电阻和电容，所述副边电感与二极管串联得到的支路分别与电阻和电容并联，采集电容两端的电压作为采样电压输出。
进一步地，所述副边电路包括相互并联的第一支路、第二支路和第三支路，第一支路包括串联连接的第一副边电感与第一二极管，第二支路包括串联连接的第二副边电感与第二二极管，第三支路包括电容C，所述第一二极管和第二二极管以相反的方向与所有支路的公共连接点相连，采集电容两端的电压Vout作为采样电压输出。
进一步地，所述比较电路包括比较器，所述比较器的两输入分别为一预设阈值电压Vref和所述电容两端的采样电压Vout，比较得到的输出为短路状态判断信号V01；当V01为高电平时表示电路发生短路，输出V01为低电平则表示电路未发生短路。
进一步地，所述信号处理模块包括逻辑门和DQ触发器，对短路状态判断信号进行处理得到驱动信号，控制被测器件的开通和关断。
进一步地，所述信号处理模块包括第一逻辑与门AND1、第二逻辑与门AND2、逻辑非门NOT1及DQ触发器DQ1；第一逻辑与门AND1的两个输入端分别连接所述短路状态判断信号V01和电路输入的PWM信号，其输出信号为V02；电路输入的PWM信号还连接逻辑非门NOT1的输入端，逻辑非门NOT1的输出信号为V03；逻辑与门AND1的输出信号V02和逻辑非门NOT1的输出信号V03分别与DQ触发器DQ1的CLK端及CLR端连接，DQ触发器DQ1的输出端
Figure BDA0002302756190000031
的输出信号为V04；电路输入的PWM信号与DQ触发器DQ1的输出信号V04分别连接逻辑与门AND2的两个输入端，相与后输出信号V05至驱动芯片信号输入端，从而控制被测器件Q的开通和关断。
进一步地，所述驱动模块包括半桥电路和驱动芯片，所述半桥电路由所述驱动芯片进行驱动，包括两个GaN功率开关器件。
与现有技术相比，本发明所构思的以上技术方案采用电感耦合的方式实现短路电流的采样，提供了一种更加快速且损耗更低的GaN功率开关器件短路保护装置，并且在尽可能减少电路拓扑复杂度的情况下实现了对功率开关器件的快速短路保护。此外，本发明所提出的通过嵌入式耦合电感的电流采样方式应用广泛，还可用于对于功率模块或者其他功率电路进行电流采样和大电流下的互感式取能。
附图说明
图1是短路保护总体电路结构图；
图2是耦合电感采样电路的耦合实现方式示意图；
图3是耦合电感采样电路的等效电路图；
图4(a)是耦合电感采样电路的第一种实施方式；
图4(b)是耦合电感采样电路的第二种实施方式；
图5是耦合电感采样电路的波形图；
图6是本发明比较模块的示意图；
图7是本发明的信号处理模块示意图；
图8是信号处理模块工作的时序图；
图9是本发明驱动模块的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的GaN功率开关器件的短路保护装置是基于耦合电感实现的，通过耦合电感采样被测器件的短路电流进而实现对GaN功率开关器件的短路保护。图1所示为短路保护的电路结构图。短路保护装置包括：短路状态检测模块、信号处理模块和驱动电路。
短路状态检测模块包括耦合电感采样电路和比较电路。其中，图2所示为耦合电感采样电路的一种耦合实现方式。以一个四层PCB板为例，其中1为PCB板的顶层，2为第一信号层，3为第二信号层，4为底层，5为多排过孔。顶层1和底层4的两个焊盘以及多排过孔5将被测器件Q通过导体连接到主功率板。被测电流从PCB板顶层1的铜箔导体流到过孔5，然后通过底层4的铜箔导体流回主板上的电路。在两块承载平衡电流的铜箔导体之间置入一个耦合线圈，耦合线圈通过互感来感应附近导体中被测电流的变化率。该耦合线圈通过在四层PCB上缠绕走线而成，同时利用最小走线宽度减小绕组间电容并增加带宽。
耦合电感采样电路包括原边电路和副边电路，原边电路包括原边电感及原边被测器件组成的回路，原边电感由被测器件Q所在电路铜箔导体的寄生杂散电感Lstray产生，副边电感由外接耦合线圈的电感产生。其中，耦合电感的原边电感Lstray的大小取决于电路的布局走线，副边电感的大小取决于线圈匝数。采用这种非插入式耦合的方式可以提高电路的耦合系数，增加电路测量的准确性。此外，除了铜箔导体，还可以利用PCB走线来构成耦合电感，对应的原边电感即为电路走线的寄生杂散电感，在此不再赘述。
该耦合电感采样电路的等效电路如图3所示，记耦合系数为k，则电路的耦合电感为
Figure BDA0002302756190000051
Lstray为铜箔电感，LC是线圈电感，RC是线圈电阻，R和C分别是负载电阻和负载电容，输出感应电压表达式为：
Figure BDA0002302756190000052
由此得等效电路的传递函数是：
Figure BDA0002302756190000053
Lstray和LC由实际的尺寸大小决定，因此输出感应电压可以用耦合电感原边电感的宽度w和长度1来表示：
Figure BDA0002302756190000054
因此传递函数为：
Figure BDA0002302756190000061
上述公式中其他参数的含义：线圈线宽为w1，PCB板厚为D，PCB走线铜厚为d，ρ为电阻系数，μ为磁导率。
副边电路有两种实施方式。在第一种实施方式中，副边电路包括副边电感L、二极管D、电阻R和电容C，电路连接如图4(a)所示，所述副边电感L与二极管D串联后再与电阻R、电容C并联连接，采集电容两端的电压作为采样电压输出。其采样原理为：当被测器件Q开通时，副边电感L通过二极管D对电容C进行充电，电容两端电压Vout升高；当被测器件Q关断时，电容C通过电阻R进行放电。故在该采样电路中，电容C两端的电压值Vout与通过被测器件的电流I成正相关，因此可以成功采样通过被测器件Q的电流I。在该电路中，电容C大小决定充电的速度，电阻R大小决定放电的速度。
在第二种实施方式中，副边电路包括第一副边电感L1、第二副边电感L2、第一二极管D1、第二二极管D2和电容C。将耦合电感中心抽头引出，两边端点分别接二极管D1和二极管D2后接地，电路连接如图4(b)所示，所述副边电路包括相互并联的第一支路、第二支路和第三支路，第一支路包括串联连接的第一副边电感L1与第一二极管D1，第二支路包括串联连接的第二副边电感L2与第二二极管D2，第三支路包括电容C，所述第一二极管D1和第二二极管D2以相反的方向与所有支路的公共连接点相连，采集电容两端的电压作为采样电压输出。其采样原理为：当被测器件Q开通时，副边电感L1和二极管D1对电容C进行充电，电容两端电压Vout升高；当被测器件Q关断时，电容C通过副边电感L2和二极管D2进行放电。故在该采样电路中，电容C两端的电压值Vout与通过被测器件的电流I成正相关，因此可以成功采样通过被测器件Q的电流I。此外，上述副边电路中的波形如图5所示。
比较电路如图6所示，经过采样电路后将采样电流I转换为采样电压Vout，采样电流值I与电容C两端的电压值Vout一一对应，以一预设阈值电压值Vref作为比较器CMP的参考电压与采样电容两端电压Vout进行比较，则比较器输出短路状态判断信号V01。当V01为高电平时表示电路发生短路，输出V01为低电平则表示电路未发生短路。
上述电路利用被测器件工作环路的杂散寄生电感实现短路电流的采样，在减少电路损耗的同时，利用简单的电路拓扑通过电容快速充电可实现反应快速的短路保护。
信号处理模块包括第一逻辑与门AND1、第二逻辑与门AND2、逻辑非门NOT1及DQ触发器DQ1。如图7所示，第一逻辑与门AND1的两个输入端分别连接比较电路输出的短路状态判断信号V01和电路输入的PWM信号，其输出信号为V02；电路输入的PWM信号还连接逻辑非门NOT1的输入端，逻辑非门NOT1的输出信号为V03，逻辑与门AND1输出信号V02与逻辑非门NOT1的输出信号V03分别与DQ触发器DQ1的CLK端及CLR端连接，DQ触发器DQ1的输出端
Figure BDA0002302756190000071
的输出信号为V04；电路输入的PWM信号与DQ触发器DQ1的输出信号V04分别连接逻辑与门AND2的两个输入端，相与后输出信号V05至驱动芯片信号输入端，从而控制被测器件Q的开通和关断，故可实现GaN功率开关器件的短路保护功能。
上述信号处理模块的工作时序如图8所示。t0时刻之前未发生短路，电容电压Vout＜Vref，此时电路正常工作；t0时刻后，电路发生短路，Vout＞Vref，从而使比较器CMP输出端V01输出高电平，比较器的输出经过DQ触发器进行信号锁存，锁存信号V04与电路输入的PWM信号经过第二逻辑与门后输出低电平V05，从而关断驱动电路，使主电路电流下降，实现短路保护。
驱动模块由GaN功率开关器件构成的半桥电路与相应的驱动芯片构成，使用GaN功率开关器件驱动器件具有快速开关的作用。驱动模块的电路结构示意图如图9所示，使用GaN功率开关器件Q1、Q2构成半桥电路驱动被测GaN功率开关器件Q，其中，半桥电路使用短延时的驱动芯片U1进行驱动。
综上所述，本发明中的短路保护装置对于电流的采样是通过对电容的充放电实现的，因此电容两端的电压体现通过被测器件的电压的大小。通过采样电路将采样电流转换为采样电压后，将采样电压与比较器设置的阈值电压进行比较，根据比较器的输出电平即可判断短路状态。当短路状态检测完成后，利用逻辑门、DQ触发器对短路状态判断信号进行处理，并将处理后的信号作为驱动电路的输入，从而控制被测器件的开通和关断。本发明所提出的GaN短路保护电路具有快速响应短路故障、损耗小、电路结构简单等特点，因此可以广泛应用于GaN功率开关器件的应用场合。同时本发明所提出的基于GaN的短路保护驱动模块，还可以广泛应用于其他功率器件和功率电路中(如Si MOSFET和SiC MOSFET)，是其高速开关以及快速故障检测和保护的关键单元。进一步地，该模块也适用于大电流功率电路和模块的电流检测以及电流取能的应用场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种GaN功率开关器件的短路保护装置，其特征在于，包括依次连接的短路状态检测模块、信号处理模块和驱动模块；所述短路状态检测模块包括依次连接的耦合电感采样电路和比较电路；
所述GaN功率开关器件位于PCB板上，利用PCB走线或外置铜箔构成耦合电感，用于感应所述GaN功率开关器件上通过的电流；所述耦合电感采样电路包括原边电路和副边电路，原边电路包括被测器件和原边电感，其中原边电感由所述PCB走线或外置铜箔的寄生杂散电感产生，副边电感由耦合线圈的电感产生；
所述耦合线圈通过在所述PCB板上绕线而成；
所述比较电路包括比较器，所述比较器的两输入分别为一预设阈值电压Vref和所述耦合电感采样电路两端的输出电压Vout，比较得到的输出为短路状态判断信号VO1；当VO1为高电平时表示电路发生短路，输出VO1为低电平则表示电路未发生短路；
所述信号处理模块包括逻辑门和DQ触发器，对短路状态判断信号进行处理得到驱动信号，控制被测器件的开通和关断。
2.如权利要求1所述的短路保护装置，其特征在于，所述副边电路包括副边电感、二极管、电阻和电容，所述副边电感与二极管串联得到的支路分别与电阻和电容并联，采集电容两端的电压作为采样电压输出。
3.如权利要求1所述的短路保护装置，其特征在于，所述副边电路包括相互并联的第一支路、第二支路和第三支路，第一支路包括串联连接的第一副边电感与第一二极管，第二支路包括串联连接的第二副边电感与第二二极管，第三支路包括电容C，所述第一二极管和第二二极管以相反的方向与所有支路的公共连接点相连，采集电容两端的电压Vout作为采样电压输出。
4.如权利要求1所述的短路保护装置，其特征在于，所述信号处理模块包括第一逻辑与门AND1、第二逻辑与门AND2、逻辑非门NOT1及DQ触发器DQ1；
第一逻辑与门AND1的两个输入端分别连接所述短路状态判断信号和电路输入的PWM信号，其输出信号为VO2；电路输入的PWM信号还连接逻辑非门NOT1的输入端，逻辑非门NOT1的输出信号为VO3；逻辑与门AND1的输出信号VO2和逻辑非门NOT1的输出信号VO3分别与DQ触发器DQ1的D端及CLR端连接，DQ触发器DQ1的输出端
Figure FDA0003241180310000021
的输出信号为VO4；电路输入的PWM信号与DQ触发器DQ1的输出信号VO4分别连接逻辑与门AND2的两个输入端，相与后输出信号VO5至驱动芯片信号输入端，从而控制被测器件Q的开通和关断。
5.如权利要求1所述的短路保护装置，其特征在于，所述驱动模块包括半桥电路和驱动芯片，所述半桥电路由所述驱动芯片进行驱动，包括两个GaN功率开关器件。
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