CN113852048A - 功率开关短路保护 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例总体上涉及功率开关短路保护。公开了功率开关保护的系统、方法、技术和装置。一个示例性实施例是一种用于功率开关的保护系统，该保护系统包括电阻器和检测电路。电阻器与解耦电容器串联耦合。检测电路被构造为接收电阻器的电压，基于所接收的电气特性确定发生短路，并且响应于确定发生短路而传输故障触发信号。

Description

功率开关短路保护
技术领域
本公开总体上涉及功率开关保护。
背景技术
半导体开关的一些最近开发的类型在传导短路电流时会很快失效。例如，一些宽带隙开关在传导短路电流仅600ns之后就可能会失效。现有的功率开关保护系统存在很多缺陷和缺点。仍有未满足的需求，包括提高保护系统响应能力和减少保护系统功率损耗。例如，一些常规的保护系统(诸如基于去饱和检测的系统)的响应速度不够快而无法保护宽带隙开关免受短路电流的影响。此外，一些常规的保护系统监测插入负载电流路径中的分流电阻器，从而生成恒定的功率损耗。鉴于本领域中的这些和其他缺陷，非常需要本文中公开的装置、方法、系统和技术。
说明性实施例的公开
为了清楚、简明和准确地描述本公开的非限制性示例性实施例、其制作和使用的方式和过程，并且为了能够实践、制作和使用这些非限制性示例性实施例，现在将参考某些示例性实施例，包括图中所示的那些，并且将使用特定的语言来对其进行描述。然而，应当理解，没有因此对本公开的范围产生限制，并且本公开包括和保护由受益于本公开的本领域技术人员能够想到的示例性实施例的这样的改变、修改和其他应用。
发明内容
本公开的示例性实施例包括用于功率开关短路保护的系统、方法、技术和装置。本公开的其他实施例、形式、目的、特征、优点、方面和益处将从以下描述和附图变得很清楚。
附图说明
图1示出了示例性功率开关保护系统；
图2示出了示例性检测电路；
图3示出了示例性栅极驱动器电路；以及
图4是示出使用图1的示例性功率开关保护系统的短路保护的多个曲线图。
具体实施方式
参考图1，示出了包括功率开关保护系统130的示例性电源系统100。应当理解，系统130可以在各种应用中实现，包括双电平和多电平电源转换器(仅举几个示例)。还应当理解，系统100的拓扑结构是出于解释的目的而示出的，并且不旨在作为对本公开的限制，除非另有说明。
电源系统100被构造为在输出端子121与电源设备105之间传输电力。系统100可以被构造为从电源设备105向输出端子121单向地传输电力，从输出端子121向电源设备105单向地传输电力，或者在输出端子121与电源设备105之间双向地传输电力。输出端子121可以接收或传输交流(AC)或直流(DC)电力。电源设备105被构造为传输或接收DC电力。
电源系统100包括DC总线，该DC总线包括DC总线轨101和DC总线轨103。四个支路跨DC总线而耦合。在第一支路与第二支路之间，DC总线具有寄生电感111。在第二支路与第三支路之间，DC总线具有寄生电感113。在第三支路与第四支路之间，DC总线具有寄生电感115。
第一支路包括被构造为在输出端子121与电源设备105之间转换或传输电力的功率开关117和功率开关119。例如，功率开关117和功率开关119可以将从输出端子121接收的AC电力转换为DC电力，或者将从DC总线接收的DC电力转换为AC电力。功率开关117耦合在DC总线轨101与输出端子121之间，并且功率开关119耦合在DC总线轨103与输出端子121之间。每个功率开关117、119可以包括宽带隙开关，诸如E模式氮化镓(GaN)开关、共源共栅模式GAN开关或碳化硅开关(仅举几个示例)。
第二支路包括串联耦合在DC总线轨101与DC总线轨103之间的解耦电容器109和电阻器131。解耦电容器109被构造为减少由功率开关117和119的操作生成的电噪声。在某些实施例中，解耦电容器109可以是陶瓷电容器或薄膜电容器。在某些实施例中，解耦电容器的电容可以在100nF与1uF之间，或者可以是功率开关117和119的输出电容的10-100倍。
电阻器131可以包括外部电阻器或等效电阻器。例如，电阻器131可以包括具有电阻的外部电阻器或具有等效电阻的印刷电路板迹线布置。电阻器131被构造为具有小电阻R131。例如，电阻器131的电阻或等效电阻可以在200微欧与10毫欧之间，或者在200微欧与800微欧之间(仅举几个示例)。
第一支路和第二支路的组件形成高频回路123，使得只有瞬态电流(诸如来自功率开关的操作的噪声)流过第二支路，包括电阻器131。因此，与在负载电流I105的电流路径中放置具有相同电阻的电阻器相比，来自第二支路的电阻器131的功率损耗可以忽略不计。通过在高频回路123中放置电阻器131，电阻器131感应出电感L131。在某些实施例中，电阻器131位于功率开关119的10mm内。
第三支路包括耦合在DC总线轨101与DC总线轨103之间的DC链路电容器107。在某些实施例中，DC链路电容器107包括一电容，该电容大于解耦电容器的电容。例如，DC链路电容器107的电容可以是解耦电容器109的电容的100倍。与解耦电容器109相比，DC链路电容器107也被放置得离开关117和119更远。例如，解耦电容器可以被放置为距功率开关117和119小于10mm，而DC链路电容器可以放置在几厘米远的地方。
第四支路包括耦合在DC总线轨101与DC总线轨103之间的电源设备105。在所示的实施例中，电源设备105是能量存储设备，其被构造为从DC总线接收电力，存储能量并且向DC总线提供电力。电源设备105也可以是发电设备、或被构造为接收或传输DC电力的另一种类型的设备。
功率开关保护系统130被构造为保护电源系统100免受电源系统100内发生的短路的影响。例如，系统130可以保护系统100免受相臂短路或相间短路的影响。功率开关保护系统130包括电阻器131、检测电路133以及栅极驱动器电路135和137。
检测电路133被构造为测量跨电阻器131的电压V131。当电流流过高频回路123时，电流引起跨电阻器131的电压V131。在正常操作期间，由于解耦电容器109吸收由切换(toggling)引起的电压变化，所以由功率开关切换生成的瞬态电流流过电阻器131。虽然功率开关切换可能导致DC总线中的电压振荡，但检测电路133确定跨电阻器131的电压V131保持低于短路阈值。一旦发生短路，短路电流流过高频回路123，从而引起检测电路133确定跨电阻器131的电压V131超过短路阈值。
短路阈值是一电压，该电压大于由功率开关切换而生成的跨电阻器131的电压。在某些实施例中，短路阈值是由功率开关切换引起的跨电阻器的峰值标称电压的3-5倍。在某些实施例中，检测电路133在短路开始的50ns内确定发生短路。
栅极驱动器电路135被构造为操作功率开关119，并且栅极驱动器电路137被构造为操作功率开关117。如下面关于图3的栅极驱动器电路300更详细地描述的，栅极驱动器电路135和137被构造为从检测电路133接收故障触发信号，并且响应于接收到指示发生短路的故障触发信号而断开功率开关117和119。在某些实施例中，每个栅极驱动器电路被构造为在短路开始的600ns内断开其对应功率开关。例如，每个栅极驱动器电路可以在接收到故障触发信号的150ns内断开其对应功率开关，从而在短路故障开始的200ns内断开对应功率开关。应当理解，电源系统100的组件的任何或所有前述特征也可以存在于本文中公开的其他组件中。
参考图2，电路图示出了示例性检测电路200，诸如图1中的电源系统100的检测电路133。电路200耦合到电阻器201并且被构造为接收电阻器201的电气特性，基于所接收的电气特性确定包含电阻器201的电源系统中是否发生短路故障，并且响应于确定发生短路故障而输出故障触发信号。
电路200包括高带宽差分放大器215、高速比较器227和信号锁存器229，这些这些项中的每项耦合到低压电源221和接地参考点223。低压电源221可以输出小于10V的电压(仅举一个示例)，并且被构造为向放大器215、比较器227和锁存器229提供电力。在某些实施例中，放大器215、比较器227和锁存器229中的一个或多个耦合到不同的低压电源。
放大器215包括正输入端子和负输入端子，每个端子耦合到电阻器201，使得放大器215与电阻器201并联耦合。电阻器201借助于电阻器211耦合到放大器215的负输入端子，并且借助于电阻器213耦合到放大器215的正输入端子。放大器215的正输入端子也借助于电阻器214耦合到接地参考点223。放大器215的负输入端子也借助于并联耦合在负输入端子与输出端子之间的电阻器219和电容器217耦合到放大器215的输出端子。在某些实施例中，电阻器211、213、214和219的电阻均小于10mOhm。
放大器215被构造为在负输入端子和正输入端子处接收输入信号，该输入信号对应于电阻器201的电气特性，诸如跨电阻器201的电压。放大器215被构造为放大输入信号的大小，生成在放大器215的输出端子处输出的放大信号。通过放大输入信号，放大器215提高了检测电路200的准确性。
重要的是要注意，图1的解耦电容器109、电阻R131、电感L131和寄生电感111形成RLC电路。因此，高频回路123被构造为过滤来自放大器215的频率大于1MHz的噪声。例如，高频噪声可能是由开关117和119的切换引起的。此外，电阻器219和电容器217形成被构造为进一步过滤高频噪声的低通滤波器。
比较器227耦合到放大器215的输出端子并且被构造为在比较器227的正输入端子处接收来自放大器215的放大信号。比较器227还在比较器227的负输入端子处耦合到电源226并且被构造为从电源226接收与阈值电压相对应的电压。阈值电压对应于指示短路的跨电阻器201的最小电压。
比较器227被构造为比较所接收的放大信号和所接收的阈值电压，并且基于所接收的放大信号与所接收的阈值电压之间的比较来输出故障检测信号。在被监测电源系统正常操作时，所接收的放大信号小于所接收的阈值电压，并且比较器227被构造为输出指示未检测到短路的低电平故障检测信号。在短路期间，所接收的放大信号超过所接收的阈值电压，并且比较器227被构造为输出指示已经检测到短路故障的高电平故障检测信号。
在所示的电路200中，锁存器229是D触发器。在其他实施例中，锁存器229可以是另一种类型的信号锁存器。锁存器229包括时钟端子CLK、输入端子D和输出端子Q。时钟端子CLK耦合到比较器227的输出端子并且被构造为从比较器227接收故障检测信号。输入端子D被构造为从电源接收恒定的高电平故障检测信号。输出端子Q被构造为输出故障触发信号。当锁存器229从比较器227接收到指示已经检测到短路故障的高电平故障检测信号时，锁存器229输出故障触发信号，该故障触发信号被配置为使栅极驱动器电路响应于检测到的短路故障。
在某些实施例中，检测电路200被构造为在短路开始的100ns内检测短路。例如，检测电路200可以被构造为在短路开始的50ns内检测短路。应当理解，检测电路200的任何或所有前述特征也可以存在于本文中公开的其他检测电路(诸如图1的检测电路133)中。
参考图3，电路图示出了耦合到宽带隙开关307的示例性栅极驱动器电路300。栅极驱动器电路300被构造为基于栅极信号和故障触发信号来闭合和断开开关307。开关307包括栅极端子301、漏极端子305和源极端子303。电路300耦合到栅极端子301和源极端子303。栅极驱动器电路300包括数字隔离器306、与(AND)逻辑门319、非(NOT)逻辑门321、栅极驱动集成电路323和软断开电路333。
数字隔离器306包括初级侧和次级侧。初级电压源311、接地315和栅极信号源309耦合到数字隔离器306的初级侧。次级电压源313、接地参考317和输出端子314耦合到数字隔离器306的次级侧。数字隔离器306被构造为借助于输入端子312从栅极信号源309接收栅极信号，并且输出与从输出端子314接收的栅极信号相对应的隔离栅极信号。
非逻辑门321被构造为从示例性检测电路(诸如图2的检测电路200)接收故障触发信号，将所接收的信号反相，并且输出反相信号。与逻辑门319耦合到电压源313、接地参考317、输出端子314和非逻辑门321。与逻辑门319被构造为接收来自非逻辑门321的反相信号和来自输出端子314的隔离栅极信号，并且基于所接收的信号向栅极驱动集成电路323输出信号。例如，如果所接收的隔离栅极信号为高值，指示开关307应当闭合，并且故障触发信号为低值，指示没有短路，则逻辑门319将输出指示开关307应当闭合的信号。在另一示例中，如果所接收的隔离栅极信号为高值，但故障触发信号也为高值，指示存在短路，则逻辑门319将输出指示开关307应当断开或保持断开的信号。
栅极驱动集成电路323耦合到电源329、接地参考317和与逻辑门319。栅极驱动集成电路323包括信号处理器327、开关325和另一开关328。栅极驱动集成电路323被构造为接收由逻辑门319输出的信号，并且基于所接收的信号使用开关325和328生成输出信号。输出信号借助于栅极电阻器331被输出到开关307的栅极端子301。
软断开电路333耦合在栅极端子301与源极端子303之间。软断开电路333被构造为接收指示短路的故障触发信号，并且作为响应，修改由栅极驱动集成电路323输出的信号使得开关307在电流过零点处断开。在某些实施例中，软断开电路333被构造为增加栅极电阻以减少栅极信号中的电压和电流振荡。应当理解，栅极驱动器电路300的任何或所有前述特征也可以存在于本文中公开的其他栅极驱动器电路(诸如图1的栅极驱动器电路135和137)中。
参考图4，示出了多个曲线图400，包括曲线图410、420、430、440和450。曲线图410示出了施加到功率开关117的栅极的栅极电压411的大小。曲线图420示出了施加到功率开关119的栅极的栅极电压421的大小。曲线图430示出了跨电源设备105的开关117和119的电压的大小。曲线图440示出了流过电阻器131的电流I131的大小。曲线图450说明跨电阻器131的电压V131的大小。
每个曲线图示出了在包括时刻t1-t5的时间段内电源系统100的电气特性。在时刻t1，开关119发生故障，从而使增大的栅极信号被施加到开关119的栅极。在时刻t2，施加到开关119的栅极信号闭合开关119，从而使电源系统100开始传导短路电流。在时刻t3，检测电路133基于电压V131超过电压阈值而确定发生短路。在时刻t4，响应于确定发生短路，栅极驱动器电路135和137停止向开关117和119传输栅极信号。当系统130响应于确定发生短路而使开关117和119断开时，栅极信号减小直到时刻t5。
现在将提供对多个示例性实施例的另外的书面描述。一个实施例是一种用于功率开关的保护系统，该保护系统包括：电阻器，与解耦电容器串联耦合；以及检测电路，该检测电路被构造为接收电阻器的电压，基于所接收的电压确定发生短路，并且响应于确定发生短路而传输故障触发信号。
在上述保护系统的某些形式中，保护系统包括栅极驱动器电路，该栅极驱动器电路被构造为接收故障触发信号并且响应于接收到故障触发信号而在电流过零点处断开功率开关。在某些形式中，栅极驱动器电路包括被构造为接收故障触发信号的非逻辑门、耦合到非逻辑门的与逻辑门以及被构造为接收故障触发信号的软断开电路。在某些形式中，电阻器包括具有等效电阻的印刷电路板迹线布置。在某些形式中，等效电阻在200微欧与10毫欧之间。在某些形式中，检测电路包括：放大器，被构造为接收电阻器电压；比较器，被构造为接收短路电压阈值和来自放大器的放大输出；以及信号锁存器，被构造为从比较器接收故障检测信号并且向栅极驱动器电路输出故障触发信号。在某些形式中，短路电压阈值对应于第一电阻器电压，该第一电阻器电压大于由功率开关的切换生成的第二电阻器电压。在某些形式中，功率开关是宽带隙开关，其中检测电路被构造为在短路开始的50ns内传输故障触发信号，并且其中故障触发信号被配置为使栅极驱动器断开功率开关。在某些形式中，检测电路被构造为通过以下方式确定发生所述短路：放大所接收的电压，将经放大的电压与短路电压阈值进行比较，并且确定经放大的电压大于短路电压阈值，其中短路电压阈值大于第一电阻器电压，该第一电阻器电压在功率开关的切换期间流过解耦电容器的电流生成。在某些形式中，跨电阻器的电压由流过解耦电容器的高频电流生成。
另一示例性实施例是一种用于保护功率开关的方法，该方法包括：利用检测电路接收与解耦电容器串联耦合的电阻器的电压；利用检测电路基于所接收的电压确定发生短路；以及响应于确定发生短路，利用检测电路传输故障触发信号。
在上述方法的某些形式中，该方法包括利用栅极驱动器电路接收故障触发信号；以及响应于接收到故障触发信号，利用栅极驱动器电路在电流过零点处断开功率开关。在某些形式中，接收故障触发信号包括利用栅极驱动器电路的非逻辑门接收故障触发信号，并且利用栅极驱动器电路的软断开电路接收故障触发信号，其中该方法包括利用与逻辑门从非逻辑门接收故障触发信号的反相信号。在某些形式中，电阻器包括具有等效电阻的印刷电路板迹线布置。在某些形式中，等效电阻在200微欧与10毫欧之间。在某些形式中，该方法包括利用检测电路的比较器接收短路电压阈值和来自放大器的放大输出；利用信号锁存器从比较器接收故障检测信号；以及利用信号锁存器向栅极驱动器电路输出故障触发信号。在某些形式中，短路电压阈值对应于第一电阻器电压，该第一电阻器电压大于由功率开关的切换生成的第二电阻器电压。在某些形式中，功率开关是宽带隙开关，其中在短路开始的50ns内利用检测电路传输故障触发信号，并且其中故障触发信号被配置为使栅极驱动器断开功率开关。在某些形式中，确定发生短路包括：放大所接收的电压；将经放大的电压与短路电压阈值进行比较；以及确定经放大的电压大于短路电压阈值，其中短路电压阈值取决于由在功率开关的切换期间流过解耦电容器的电流生成的第一电阻器电压。在某些形式中，该电压是由流过解耦电容器的高频电流生成的。
虽然已经在附图和前面的描述中详细地说明和描述了本公开，但是其在性质上被认为是说明性的而不是限制性的，应当理解，仅仅已经示出和描述了某些示例性实施例，并且希望保护落入本公开的精神内的所有变化和修改。应当理解，虽然在以上描述中使用的诸如“优选的”、“优选地”、“优选”或“更优选的”等词语的使用表明这样描述的特征可能更合意，但它可能不是必需的，并且缺乏上述内容的实施例可以被设想为在本公开的范围内，该范围由所附权利要求限定。在阅读权利要求时，意图是，当使用诸如“一个(a)”、“一个(an)”、“至少一个”或“至少一个部分”等词语时，无意将权利要求限制为仅一项，除非在权利要求中明确说明是相反情况。术语“……的(of)”可以意味着与另一项目的关联或连接、以及属于另一项目或与另一项目相关，如使用它的上下文所告知的。术语“耦合到”、“与……耦合”等包括间接连接和耦合，并且还包括但不要求直接耦合或连接，除非明确说明是相反情况。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项目可以包括一部分和/或整个项目，除非明确说明是相反情况。

Claims (20)

1.一种用于功率开关的保护系统，包括：
电阻器，与解耦电容器串联耦合；以及
检测电路，被构造为接收所述电阻器的电压，基于所接收的电压确定发生短路，并且响应于确定发生所述短路而传输故障触发信号。
2.根据权利要求1所述的保护系统，包括：
栅极驱动器电路，被构造为接收所述故障触发信号并且响应于接收到所述故障触发信号而在电流过零点处断开所述功率开关。
3.根据权利要求2所述的保护系统，其中所述栅极驱动器电路包括被构造为接收所述故障触发信号的非逻辑门、耦合到所述非逻辑门的与逻辑门以及被构造为接收所述故障触发信号的软断开电路。
4.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述电阻器包括具有等效电阻的印刷电路板迹线布置。
5.根据权利要求4所述的保护系统，其中所述等效电阻在200微欧与10毫欧之间。
6.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述检测电路包括：
放大器，被构造为接收所述电阻器电压；
比较器，被构造为接收短路电压阈值和来自所述放大器的放大输出；以及
信号锁存器，被构造为从所述比较器接收故障检测信号并且向栅极驱动器电路输出所述故障触发信号。
7.根据权利要求6所述的保护系统，其中所述短路电压阈值对应于第一电阻器电压，所述第一电阻器电压大于由所述功率开关的切换生成的第二电阻器电压。
8.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述功率开关是宽带隙开关，其中所述检测电路被构造为在所述短路开始的50ns内传输所述故障触发信号，并且其中所述故障触发信号被配置为使栅极驱动器断开所述功率开关。
9.根据权利要求1所述的保护系统，其中所述检测电路被构造为通过以下方式确定发生所述短路：
放大所接收的电压，
将经放大的电压与短路电压阈值进行比较，以及
确定所述经放大的电压大于所述短路电压阈值，
其中所述短路电压阈值大于第一电阻器电压，所述第一电阻器电压由在所述功率开关的切换期间流过所述解耦电容器的电流生成。
10.根据权利要求1所述的保护系统，其中跨所述电阻器的所述电压由流过所述解耦电容器的高频电流生成。
11.一种用于保护功率开关的方法，包括：
利用检测电路接收与解耦电容器串联耦合的电阻器的电压；
利用所述检测电路基于所接收的电压确定发生短路；以及
响应于确定发生所述短路，利用所述检测电路传输故障触发信号。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：
利用栅极驱动器电路接收所述故障触发信号；以及
响应于接收到所述故障触发信号，利用所述栅极驱动器电路在电流过零点处断开所述功率开关。
13.根据权利要求12所述的方法，其中接收所述故障触发信号包括利用所述栅极驱动器电路的非逻辑门接收所述故障触发信号，并且利用所述栅极驱动器电路的软断开电路接收所述故障触发信号，并且其中所述方法包括利用与逻辑门从所述非逻辑门接收所述故障触发信号的反相信号。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述电阻器包括具有等效电阻的印刷电路板迹线布置。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述等效电阻在200微欧与10毫欧之间。
16.根据权利要求11所述的方法，包括：
利用所述检测电路的比较器接收短路电压阈值和来自放大器的放大输出；
利用信号锁存器从所述比较器接收故障检测信号；以及
利用所述信号锁存器向栅极驱动器电路输出所述故障触发信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述短路电压阈值对应于第一电阻器电压，所述第一电阻器电压大于由所述功率开关的切换生成的第二电阻器电压。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述功率开关是宽带隙开关，其中在所述短路开始的50ns内利用所述检测电路传输所述故障触发信号，并且其中所述故障触发信号被配置为使栅极驱动器断开所述功率开关。
19.根据权利要求11所述的方法，其中确定发生所述短路包括：
放大所接收的电压；
将经放大的电压与短路电压阈值进行比较；以及
确定所述经放大的电压大于所述短路电压阈值，
其中所述短路电压阈值取决于由在所述功率开关的切换期间流过所述解耦电容器的电流生成的第一电阻器电压。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述电压是由流过所述解耦电容器的高频电流生成的。
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