CN111490528A - 一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置，包括PLD数字控制模块、DAC模块、发射极电流信息采集模块、电流信息解耦模块、电压比较逻辑电路和栅极电压控制电路。本发明通过对发射极电流和电流变化率的实时检测，在不需要消隐时间的情况下，可以快速准确地判断是否发生短路或过流故障。

Description

一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置
技术领域
本发明涉及过流保护装置，具体涉及一种宽禁带功率器件过流保护装置。
背景技术
功率半导体器件是电力电子技术的基础，是构成电力电子装置的核心器件。碳化硅(SiC)材料作为一种宽禁带半导体材料，具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高热导率等优点，因此碳化硅功率半导体器件可以实现高压、大功率、高频、高温应用，可以提高电力电子装置的效率、降低装置体积和重量，比传统硅基器件更具优越性。
SiC的绝缘击穿场强是Si的10倍，所以能够以低阻抗、薄厚度的漂移层实现高耐压。在相同的耐压值的情况下，SiC可以得到标准化导通电阻(单位面积导通电阻)更低的器件。在相同导通能力的半导体器件SiC的面积要远小于Si器件。相对于Si器件，SiC器件是一种芯片面积小、电流密度大的器件，所以对于热破坏模式的过流时间耐量比Si器件要低。因此快速的过流检测方法和保护策略在SiC功率器件是非常重要的。
传统的功率半导体短路检测方法只是通过单一手段根据短路之后的电路特征来判断是否发生短路，而对短路回路的特性并没有深入的分析，不能够识别短路回路的电感范围，不能够判断短路位置，为后期的维护和分析带来不便。如中国发明专利《一种绝缘栅双极性驱动保护电路》(授权号为CN1177408C)公开了一种通过检测IGBT集电极和发射极两端的电压，来判断电路功率模块是否发生短路，此种方法需要在IGBT功率器件开通完成经过一段消隐时间后，功率器件进入退饱和状态时才能准确判断。对于宽禁带器件过流时间耐量比Si器件要低，所以消隐时间的太长势必会造成宽禁带器件在短路过程受损。消隐时间太短又会增大保护误触发的概率，所以集射极电压检测法并不适合宽禁带功率器件。同时集射极电压检测法只能检测短路，对于大电感回路的过流情况，由于功率器件未出现退饱和，所以无法准确进行保护。
传统的功率半导体短路和过流保护方法只是通过实现短路和过流之后对半导体功率器件的栅极电压进行控制使其可靠关断，如栅极串联阻值比较大的电阻或者有阶的降低栅极电压实现软关断，是一种开环的控制，仅是对栅极电压的控制，并不能准确的控制关断时电流的变化率，不能实现对关断电压尖峰的控制。如果串联电阻过小或者栅极电压降低过大势必会造成电流下降变化率过大，造成电压关断产生的电压尖峰超出器件的承受范围。如果串联电阻过大或者栅极电压降低过小，那么关断时间会增加，功率器件承受的能量会增加。对于禁带器件过流时间耐量比Si器件要低很多，所以简单的开环控制栅极电压无法实现功率器件在发生短路和过流之后的最优控制。
发明内容
发明目的：
本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术缺陷，提出了一种适用于宽禁带功率器件的短路过流保护装置，其基本思路是，以通过实时检测流过宽禁带功率器件发射极电流，根据其发生短路和过流后发射极电流的特征，准确的判断功率器件在短路之后的状态，并实现功率器件在短路之后的最优控制。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置，其特征是，包括PLD数字控制模块、DAC模块、发射极电流信息采集模块、电流信息解耦模块、电压比较逻辑电路和栅极电压控制电路；
发射极电流信息采集模块采集功率器件发射极的电流信号转化为电压信号；
电流信息解耦模块将从发射极电流信息采集模块获取的电压信号进行解耦，获得与发射极的电流上升率成正比的电压量发送至电压比较逻辑电路、与电流下降率成正比的电压量发送至栅极电压控制电路；
DAC模块将PLD数字控制模块输出的数字控制信号转化为对应的模拟量，为电压比较逻辑电路和栅极电压控制电路提供参考电压；
电压比较逻辑电路将电流信息解耦模块获取的电压信号、与电流上升率成正比的电压量和DAC模块输出的过流比较参考电压、电流上升率比较参考电压分别对应进行对比，并将比较结果输出给PLD数字控制模块；
PLD数字控制模块根据获得的比较结果实时判断功率器件工作状态，并将控制信号发送至DAC模块；
栅极电压控制电路根据DAC模块输出给定的电流变化率参考电压、与电流下降率成正比的电压量比较后的输出信号控制功率器件的栅极。
进一步地，发射极电流信息采集模块输出的电压包括与发射极电流的幅值成正比的电压UR和与发射极电流的幅值和电流的变化率相关的电压ULR。
进一步地，发射极电流信息采集模块包括串联在功率器件发射极上的电感L和电阻R；
发射极电流信息采集模块输出的电压信号包括电阻R两端的与发射极电流的幅值成正比的电压UR、电阻R和电感L两端的与发射极电流的幅值和电流的变化率相关的电压ULR。
进一步地，电流信息解耦模块中包括第一比较器和第二比较器；
电压ULR与电压UR经第一比较器比较相减之后输出获得与电流上升率成正比的电压量UL1发送至电压比较逻辑电路；
电压UR与电压ULR经第二比较器比较相减之后输出获得与电流下降率成正比的电压量UL2发送至栅极电压控制电路。
进一步地，栅极电压控制电路包括第三比较器和三极管；
电流下降率成正比的电压量输入第三比较器的正相输入端，DAC模块输出给定的电流变化率参考电压输入第三比较器的反相输入端，比较器输出端与三极管基极连接，三极管的发射极连接控制功率器件的栅极。
进一步地，通过PLD数字控制模块输出的信号频率改变DAC模块提供的参考电压的幅值。
进一步地，通过PLD数字控制模块输出的信号占空比改变DAC模块提供的参考电压的幅值。
进一步地，还包括对PLD数字控制模块输入与输出信号进行传输隔离的隔离信号单元。
一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置，包括PLD数字控制模块和由PLD数字控制模块控制的两路功率器件控制电路；每路功率器件控制电路对应连接控制一个功率器件；
每路功率器件控制电路包括DAC模块、发射极电流信息采集模块、电流信息解耦模块、电压比较逻辑电路和栅极电压控制电路；
发射极电流信息采集模块对应采集该路连接的功率器件发射极的电流信号转化为电压信号；
电流信息解耦模块将从发射极电流信息采集模块获取的电压信号进行解耦，获得与发射极的电流上升率成正比的电压量发送至电压比较逻辑电路、与电流下降率成正比的电压量发送至栅极电压控制电路；
DAC模块将PLD数字控制模块输出的数字控制信号转化为对应的模拟量，为电压比较逻辑电路和栅极电压控制电路提供参考电压；
电压比较逻辑电路将电流信息解耦模块获取的电压信号、与电流上升率成正比的电压量和DAC模块输出的过流比较参考电压、电流上升率比较参考电压分别对应进行对比，并将比较结果输出给PLD数字控制模块；
PLD数字控制模块根据每路获得的比较结果实时判断该路功率器件工作状态，并将各控制信号对应发送至各路中的DAC模块；
栅极电压控制电路根据DAC模块输出给定的电流变化率参考电压、与电流下降率成正比的电压量比较后的输出信号控制该路中的功率器件的栅极。
技术效果：
本发明提出了一种适用于宽禁带功率器件的短路过流保护装置，通过实现对发射极电流和电流变化率di/dt的实时检测，在不需要消隐时间的情况下，可以快速准确地判断是否发生短路或过流故障。
本发明提出了一种适用于宽禁带功率器件的短路过流保护装置，通过对发射极电流实时检测，可以准确的实现对短路回路电感判断，间接的判断短路位置，以便于发生短路后能够及时发现短路点，减小维护和分析时间。
本发明提出了一种适用于宽禁带功率器件的短路过流保护装置，通过对发射极电流变化率实时检测，在发生短路和过流后，根据功率器件的跨导特性，通过控制栅极电压，实现对短路和过流后电流di/dt的闭环控制，进而控制过流之后关断时电压尖峰，在功率器件承受的电压范围内以最快的速度关断功率器件，减小关断过程功率器件承受的能量，实现功率器件在发生短路和过流之后的最优控制。
附图说明
图1是本实施例的一种适用于宽禁带功率器件的短路过流保护装置示意图。
图2是本实施例的一种电流信息解耦模块电路其中一路电路图。
图3是本实施例的一种电流信息解耦模块电路其中另一路电路图。
图4是本实施例的一种栅极电压控制电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本实施例的适用于宽禁带功率器件的短路过流保护装置如图1所示，包括PLD数字控制系统、信号隔离单元、DAC模块、发射极电流信息采集模块、电流信息解耦模块、电压比较逻辑电路和栅极电压控制电路。
本实施例中仅以图1的两个功率器件中的其中一个下管功率器件IGBT的过流保护装置为例进行说明。
发射极电流信息采集模块与功率器件IGBT发射极相连，将流过功率器件IGBT的电流信息转化为电压信号，电流信息解耦模块的输入与发射极电流采集模块输出相连，将获取的电压信号进行解耦。电流信息解耦模块的输出分别与电压比较逻辑电路的一路输入和栅极电压控制电路的一路输入相连，电压比较逻辑电路的输出通过信号隔离单元与PLD数字控制系统相连，PLD数字控制系统的输出通过信号隔离单元与DAC模块的输入相连，DAC模块的输出与栅极电压控制电路的参考输入和电压比较逻辑电路的参考输入相连，栅极电压控制电路的输出与功率器件IGBT的栅极直接相连。
PLD数字控制系统为整个系统的核心，通过电压比较逻辑电路获得功率器件发射极电流Ic和电流变化率di/dt相关信息，实时的判断功率器件所处工作的状态，能够及时的在功率器件发生短路和过流时进行保护。其主要作用包括：(1)实现对不同系统过流比较参考值、电流变化率的比较参考值的设定；(2)当发生短路时和过流时能过及时的封锁PWM信号；(3)将功率器件发生短路的相关信息准确的传递给主控制芯片。
隔离信号单元主要用于实现一次侧和二次侧信号的传输和隔离。
DAC模块是将PLD输出数字信号转化为对应的模拟量，为电压比较逻辑电路和栅极电压控制电路提供参考电压基准，DAC模块的实现方法包括以下两种：(1)固定占空比，通过改变PLD管脚输出的频率来改变输出参考电压的幅值也就是通用的频压转换电路。(2)固定频率，通过改变PLD管脚输出的占空比来改变输出参考电压的幅值。
发射极电流信息采集模块主要用于将发射极电流信号转化为电压信号，其是由低感值的电感L和低阻值电阻R串联组成。当功率器件有电流流过时，发射极电流信息采集模块输出的电压UR为发射极电流流过电阻R得到的电压，与电流的幅值成正比；发射极电流信息采集模块的输出电压ULR为发射极电流流过电阻R和电感L得到的电压，与电流的幅值和电流的变化率di/dt相关。
电流信息解耦模块是将发射极电流信息采集模块的输出电压ULR通过与UR相减进行解耦，其实现方法如图2和图3所示，ULR与UR经一比较器比较相减之后输出获得与电流上升率di/dt成正比的电压量UL1，并输入至电压比较逻辑电路；UR与ULR经一比较器比较相减之后输出获得与电流下降率-di/dt成正比的电压量UL2，并输入至栅极电压控制电路。
电压比较逻辑电路是将电流信息解耦模块输出的电压UR和与电流上升率di/dt成正比的电压量UL1与DAC模块输出的过流比较参考电压VUR、比较参考电压VUL1/VUL2分别对应进行对比，并将比较的结果通过信号隔离单元输出给PLD数字控制模块。
栅极电压控制电路如图4所示，包括比较器和三极管。电流下降率-di/dt成正比的电压量UL2输入比较器的正相输入端，DAC模块输出给定的电流变化率参考值VUL3输入比较器的反相输入端，比较器输出端与三极管基极连接，三极管的集电极接电源负端V-，三极管的发射极连接控制功率器件的栅极G。在正常工作时VUL3＝0，栅极电压控制电路输出为高阻状态。在发生短路后，通过控制给定的电流变化率参考值VUL3，使电流下降的斜率始终保持在最理想的状态，这样既可以快速的关断功率器件，也可以保证功率器件在关断时的电压尖峰不会超过其允许值。
本发明提出了一种适用于宽禁带功率器件的短路过流保护装置，其工作过程如下所示：
(1)参数确定，在一个具有宽禁带功率器件的系统装置搭建完成之后，根据系统宽禁带功率半导体参数、系统主回路电感La、系统最大过载电流峰值Ia，系统母线最大电压Vo、最小母线电压VL、发射极电流信息采集模块的电阻R和电感L数值，确定相应的参数。
①确定过流比较参考电压VUR，考虑在开关过程中存在与宽禁带器件并联的二极管的反向恢复，所以定义VUR为最大过载电流峰值Ia与在此电流下二极管反向恢复电流ID和的1.2倍。
VUR＝1.2(Ia+ID)*R
②确定一类短路(装置内部短路，短路回路电感小于100μH，不同系统电感量不一样)时电感L两端电压比较参考值VUL1，由于短路之后电流上升率与母线电压、驱动回路参数、回路电感都有直接的关系，很难通过数学计算准确获取，需要通过测试获取，通过模拟功率器件在最低输入电压VL情况下，进行桥间短路测试获取其电流上升率为m，考虑测试回路参数带来的影响，定义一类短路时电感L两端电压比较参考值VUL1为
VUL1＝0.5m*L
③确定二类短路(装置外部短路，短路回路电感超过100μH，不同系统电感量不一样)时电感L两端电压比较参考值VUL2，通过模拟功率器件在最低输入电压VL情况下，在功率器件的输出端口处使用1m长的电缆进行相间短路测试，获取其电流上升率为n，考虑回路参数带来的影响，定义二类短路时电感L两端电压比较参考值VUL2为
VUL2＝0.8n*L
④确定栅极电压控制电路，最大电流下降斜率下，电感L两端比较参考电压为给定的电流变化率参考值VUL3，根据功率器件的安全工作范围，确定在最大电流情况下，功率器件能承受的最大应力为Vov，考虑降额确定系统的最大应力为0.9Vov。那么最大电流下降斜率下，感L两端比较参考电压为给定的电流变化率参考值VUL3，其值为
Figure BDA0002462816310000091
(2)在正常工作时，发射极电流信息采集模块输出的电压信号UR始终小于过流比较参考电压VUR，通过设定VUL3＝0，使栅极电压控制电路输出为高阻状态，功率器件正常的开通和关断。
(3)在功率器件发生短路时，发射极电流迅速上升，当电压信号UR大于过流比较参考电压VUR，PLD通过获取电压比较逻辑电路输出的值(即电流解耦模块输出的信号UL1与电压比较参考值VUL1和VUL2相比较的结果)，判断短路状态，如果UL1大于VUL1和VUL2，为系统发生一类短路，如果UL1小于VUL1大于VUL2，为系统发生二类短路，如果UL1小于VUL2，为系统发生过流状态。
当检测到故障(短路或过流)状态之后，PLD迅速封锁PWM信号，并使能栅极电压控制电路，通过控制栅极电压，实现对短路和过流后电流di/dt的闭环控制，进而控制过流之后关断时电压尖峰，在功率器件承受的电压范围内以最快的速度关断功率器件，减小关断过程功率器件承受的能量，实现功率器件在发生短路和过流之后的最优控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置，其特征是，包括PLD数字控制模块、DAC模块、发射极电流信息采集模块、电流信息解耦模块、电压比较逻辑电路和栅极电压控制电路；
发射极电流信息采集模块采集功率器件发射极的电流信号转化为电压信号；
电流信息解耦模块将从发射极电流信息采集模块获取的电压信号进行解耦，获得与发射极的电流上升率成正比的电压量发送至电压比较逻辑电路、与电流下降率成正比的电压量发送至栅极电压控制电路；
DAC模块将PLD数字控制模块输出的数字控制信号转化为对应的模拟量，为电压比较逻辑电路和栅极电压控制电路提供参考电压；
电压比较逻辑电路将电流信息解耦模块获取的电压信号、与电流上升率成正比的电压量和DAC模块输出的过流比较参考电压、电流上升率比较参考电压分别对应进行对比，并将比较结果输出给PLD数字控制模块；
PLD数字控制模块根据获得的比较结果实时判断功率器件工作状态，并将控制信号发送至DAC模块；
栅极电压控制电路根据DAC模块输出给定的电流变化率参考电压、与电流下降率成正比的电压量比较后的输出信号控制功率器件的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置，其特征是，发射极电流信息采集模块输出的电压包括与发射极电流的幅值成正比的电压UR和与发射极电流的幅值和电流的变化率相关的电压ULR。
3.根据权利要求1所述的一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置，其特征是，发射极电流信息采集模块包括串联在功率器件发射极上的电感L和电阻R；
发射极电流信息采集模块输出的电压信号包括电阻R两端的与发射极电流的幅值成正比的电压UR、电阻R和电感L两端的与发射极电流的幅值和电流的变化率相关的电压ULR。
4.根据权利要求2或3所述的一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置，其特征是，电流信息解耦模块中包括第一比较器和第二比较器；
电压ULR与电压UR经第一比较器比较相减之后输出获得与电流上升率成正比的电压量UL1发送至电压比较逻辑电路；
电压UR与电压ULR经第二比较器比较相减之后输出获得与电流下降率成正比的电压量UL2发送至栅极电压控制电路。
5.根据权利要求1所述的一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置，其特征是，栅极电压控制电路包括第三比较器和三极管；
电流下降率成正比的电压量输入第三比较器的正相输入端，DAC模块输出给定的电流变化率参考电压输入第三比较器的反相输入端，比较器输出端与三极管基极连接，三极管的发射极连接控制功率器件的栅极。
6.根据权利要求1所述的一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置，其特征是，通过PLD数字控制模块输出的信号频率改变DAC模块提供的参考电压的幅值。
7.根据权利要求1所述的一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置，其特征是，通过PLD数字控制模块输出的信号占空比改变DAC模块提供的参考电压的幅值。
8.根据权利要求1所述的一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置，其特征是，还包括对PLD数字控制模块输入与输出信号进行传输隔离的隔离信号单元。
9.一种适用于宽禁带功率器件的过流保护装置，其特征是，包括PLD数字控制模块和由PLD数字控制模块控制的两路功率器件控制电路；每路功率器件控制电路对应连接控制一个功率器件；
每路功率器件控制电路包括DAC模块、发射极电流信息采集模块、电流信息解耦模块、电压比较逻辑电路和栅极电压控制电路；
发射极电流信息采集模块对应采集该路连接的功率器件发射极的电流信号转化为电压信号；
电流信息解耦模块将从发射极电流信息采集模块获取的电压信号进行解耦，获得与发射极的电流上升率成正比的电压量发送至电压比较逻辑电路、与电流下降率成正比的电压量发送至栅极电压控制电路；
DAC模块将PLD数字控制模块输出的数字控制信号转化为对应的模拟量，为电压比较逻辑电路和栅极电压控制电路提供参考电压；
电压比较逻辑电路将电流信息解耦模块获取的电压信号、与电流上升率成正比的电压量和DAC模块输出的过流比较参考电压、电流上升率比较参考电压分别对应进行对比，并将比较结果输出给PLD数字控制模块；
PLD数字控制模块根据每路获得的比较结果实时判断该路功率器件工作状态，并将各控制信号对应发送至各路中的DAC模块；
栅极电压控制电路根据DAC模块输出给定的电流变化率参考电压、与电流下降率成正比的电压量比较后的输出信号控制该路中的功率器件的栅极。
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