CN114069568A - 一种SiC MOSFET驱动器的短路保护电路 - Google Patents

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CN114069568A CN202010792829.5A CN202010792829A CN114069568A CN 114069568 A CN114069568 A CN 114069568A CN 202010792829 A CN202010792829 A CN 202010792829A CN 114069568 A CN114069568 A CN 114069568A
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赵彩萍
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Abstract

本发明提供一种SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，包括温度检测电路和控制电路；温度检测电路与SiC MOSFET连接，用于采集SiC MOSFET所在的散热器的温度，并将采集的温度转换为电压信号；控制电路用于基于电压信号和预设的电压偏差确定基准电压，控制电路还与SiC MOSFET连接，用于检测SiC MOSFET的SiC MOSFET漏极和源极之间的电压，并基于检测的电压和基准电压对SiC MOSFET进行控制，实现SiC MOSFET的导通或关断，本发明能够对SiC MOSFET进行精准保护，不易误动作，保护能力强，避免SiC MOSFET由于结温过高而失效，延长了SiC MOSFET的使用寿命；大大提高了驱动器的可靠性，使驱动器能够可靠驱动SiC MOSFET动作。

Description

一种SiC MOSFET驱动器的短路保护电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种SiC MOSFET驱动器的短路保护电路。
背景技术
电力电子器件对提高电力设备的性能指标起着十分重要的作用。随着电动汽车、新能源等电力电子应用领域的蓬勃发展，功率变换器对效率、功率密度和耐高温等方面的要求也越来越高。由于硅器件的性能逐渐接近材料理论极限，以碳化硅为代表的新型功率器件应运而生。碳化硅半导体器件具有导通电阻低、击穿电压高和极限工作温度高等优点，在电力电子应用领域得到越来越广泛的应用。随着碳化硅半导体技术的不断发展，对碳化硅功率器件的研究也在不断展开和深入。
SiC MOSFET为碳化硅功率器件的代表，其导通电阻RDS(on)和开关损耗均较低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，使其具有高温稳定性，SiC MOSFET的温度Tj(℃)与导通电阻RDS(on)的关系如图1所示，从图1可以看出，随着SiC MOSFET内部结温的升高，导通电阻RDS(on)也随之升高。
实际电路存在的短路故障模式包括：1)在SiC MOSFET所在的电路正常工作时，负载突然短路，SiC MOSFET从饱和导通状态转化为电流迅速上升状态，严重者可达到几倍额定电流；2)在SiC MOSFET所在的电路正常工作前，负载已经处于短路状态，SiC MOSFET从零电流状态迅速上升至承受几倍额定电流状态。于是需要短路保护电路快速检测到电流迅速增大的状态，然后在SiC MOSFET和电路其他设备损坏之前安全关断SiC MOSFET，实现对SiCMOSFET的保护。但是由于SiC MOSFET晶圆面积小，电流密度大且短路能力较弱，因此对驱动电路的短路保护功能要求较高。目前SiC MOSFET驱动器中的短路保护一般先检测SiCMOSFET所在的电路发生短路时SiC MOSFET的漏极电流在流经导通电阻后形成的SiCMOSFET漏极和源极之间的电压，再基于漏极和源极之间的电压对SiC MOSFET进行短路保护，由于SiC MOSFET发生短路时大电流的承受时间小，且同等电流下较高结温产生的漏极和源极之间的电压VDS高，所以短路保护电路易误动作，且保护能力差。
发明内容
为了克服上述现有技术中易误动作且保护能力差的不足，本发明提供一种SiCMOSFET驱动器的短路保护电路，包括温度检测电路和控制电路；
所述温度检测电路与SiC MOSFET连接，用于采集SiC MOSFET所在的散热器的温度，并将采集的温度转换为电压信号；
所述控制电路用于基于电压信号和预设的电压偏差确定基准电压，所述控制电路还与SiC MOSFET连接，用于检测SiC MOSFET的SiC MOSFET漏极和源极之间的电压，并基于检测的电压和基准电压对SiC MOSFET进行控制，实现SiC MOSFET的导通或关断。
还包括信号处理电路，所述信号处理电路用于对所述电压信号进行处理，得到模拟信号。所述控制电路包括数字逻辑电路、电压基准电路、电压检测电路和比较电路；
所述数字逻辑电路与信号处理电路连接，用于基于模拟信号产生选通信号，还用于从驱动器中的驱动单元获取SiC MOSFET的导通指令；
所述电压基准电路与数字逻辑电路连接，用于基于选通信号和预设的电压偏差输出基准电压；
所述电压检测电路与数字逻辑电路连接，用于基于导通指令获取SiC MOSFET漏极和源极之间的电压；
所述比较电路与电压基准电路和电压检测电路连接，用于将电压检测电路获取的电压和电压基准电路输出的基准电压进行比较，所述比较单元还与SiC MOSFET连接，用于在电压检测电路获取的电压达到电压基准电路输出的基准电压时关断SiC MOSFET。
所述信号处理电路包括滤波电路、钳位电路和AD转换电路；
所述滤波电路与温度检测电路连接，用于对来自于温度检测电路的电压信号进行滤波；
所述钳位电路与滤波电路连接，用于对滤波后的电压信号进行钳位处理；
所述AD转换电路与钳位电路连接，用于将钳位处理后的电压信号转换数字信号。
所述电压基准电路包括并联的恒压源电路和基准产生电路。
所述恒压源电路包括电压基准芯片D2、限流电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3和储能电容C1；
所述限流电阻R1两端分别连接第二供电电压VCC2和公共连接点A；所述电压基准芯片D2的阳极连接公共连接点B，其阴极连接公共连接点A，其参考端REF连接至分压电阻R2和分压电阻R3之间；所述储能电容C1的两端分别连接公共连接点A和公共连接点B；所述分压电阻R2和分压电阻R3串联后，一端连接公共连接点A，另一端连接公共连接点B；
所述基准产生电路包括分压电阻R4、分压电阻R5和储能电容C2；
所述分压电阻R5和储能电容C2并联后，一端通过分压电阻R4连接公共连接点A，另一端连接公共连接点B。
所述电压检测电路包括恒流源控制电路、恒流源电路、盲区电路、滤波电路、泄放电路和二极管检测电路；
所述恒流源控制电路一端连接数字逻辑电路，另一端与恒流源电路连接；所述恒流源电路的另一端通过盲区电容和滤波电路与二极管检测电路连接；所述泄放电路一端连接数字逻辑电路，其另一端连接于滤波电路与二极管检测电路之间。
所述恒流源控制电路包括非门D1、分压电阻R6、分压电阻R7和滤波电容C3；
所述非门D1的输入端连接数字逻辑电路和第一供电电压VCC1，其输出端通过分压电阻R6连接公共连接点C，所述滤波电容C3和分压电阻R7并联后，一端连接公共连接点C，另一端连接公共连接点D。
所述恒流源电路包括稳压管Z1、限流电阻R8、三极管VT1、三极管VT2、转换电阻R9、分压电阻R10和分压电阻R11；
所述稳压管Z1的连接公共连接点G，其阴极连接第二供电电压VCC2；所述限流电阻R8一端连接公共连接点G，另一端连接三极管VT1的集电极，所述三极管VT1的基极连接公共连接点C，其发射极连接公共连接点D；所述转换电阻R9的一端连接第二供电电压VCC2，其另一端连接三极管VT2的发射极，所述三极管VT2的基极连接公共连接点G，其集电极连接公共连接点E，所述分压电阻R10和分压电阻R11串联后，两端分别连接公共连接点E和公共连接点D。
所述滤波电路包括滤波电阻R12和滤波电容C5；
所述滤波电阻R12两端分别连接公共连接点E和公共连接点F，所述滤波电容C5两端分别连接公共连接点F和公共连接点D。
所述盲区电路包括盲区电容C4，所述盲区电容C4两端分别连接公共连接点E和公共连接点D；
所述二极管检测电路包括多个串联的二极管Dz，所述二极管检测电路一端连接公共连接点F，其另一端连接SiC MOSFET。
所述泄放电路包括分压电阻R13、分压电阻R14、滤波电容C6和三极管VT3；
所述三极管VT3的集电极连接公共连接点F，其发射极连接公共连接点H，其基极连接公共点I，所述分压电阻R14和滤波电容C6并立案后，一端连接公共连接点H，另一端连接公共连接点I，所述分压电阻R13一端连接公共连接点I，另一端连接数字逻辑电路。
所述温度检测电路包括温度传感器；
所述数字逻辑电路包括可编程逻辑器件CPLD。
本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路包括温度检测电路和控制电路；温度检测电路与SiC MOSFET连接，用于采集SiC MOSFET所在的散热器的温度，并将采集的温度转换为电压信号；所述控制电路用于基于电压信号和预设的电压偏差确定基准电压，所述控制电路还与SiC MOSFET连接，用于检测SiC MOSFET的SiC MOSFET漏极和源极之间的电压，并基于检测的电压和基准电压对SiC MOSFET进行控制，实现SiC MOSFET的导通或关断，通过SiC MOSFET所在的散热器的温度间接得到基准电压，并通过检测的电压和基准电压控制SiC MOSFET并对SiC MOSFET进行保护，不易误动作，保护能力强；
本发明提供的短路保护电路能够对SiC MOSFET进行精准保护，避免SiC MOSFET由于结温过高而失效，延长了SiC MOSFET的使用寿命；
本发明通过采集SiC MOSFET所在的散热器的温度间接测量SiC MOSFET的结温，从而改变电压基准电路输出的基准电压；
本发明提供的短路保护电路用于SiC MOSFET的驱动器，大大提高了驱动器的可靠性，使驱动器能够可靠驱动SiC MOSFET动作。
附图说明
图1是SiC MOSFET的温度与导通电阻的关系图；
图2是本发明实施例中SiC MOSFET驱动器的短路保护电路框图；
图3是本发明实施例中信号处理电路框图；
图4是本发明实施例中电压检测电路结构图；
图5是本发明实施例中电压基准电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，如图2所示，包括温度检测电路和控制电路；
温度检测电路与SiC MOSFET连接，用于采集SiC MOSFET所在的散热器的温度，并将采集的温度转换为电压信号；
控制电路用于基于电压信号和预设的电压偏差确定基准电压，控制电路还与SiCMOSFET连接，用于检测SiC MOSFET的SiC MOSFET漏极和源极之间的电压，并基于检测的电压和基准电压对SiC MOSFET进行控制，实现SiC MOSFET的导通或关断。
本发明实施例提供的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路还包括信号处理电路，信号处理电路用于对电压信号进行处理，得到模拟信号。
控制电路包括数字逻辑电路、电压基准电路、电压检测电路和比较电路；
数字逻辑电路与信号处理电路连接，用于基于模拟信号产生选通信号，还用于从驱动器中的驱动单元获取SiC MOSFET的导通指令；
电压基准电路与数字逻辑电路连接，用于基于选通信号和预设的电压偏差输出基准电压；
电压检测电路与数字逻辑电路连接，用于基于导通指令获取SiC MOSFET漏极和源极之间的电压；
比较电路与电压基准电路和电压检测电路连接，用于将电压检测电路获取的电压和电压基准电路输出的基准电压进行比较，比较单元还与SiC MOSFET连接，用于在电压检测电路获取的电压达到电压基准电路输出的基准电压时关断SiC MOSFET，起到保护SiCMOSFET的作用。具体为图4中电压检测电路的Vdect连接至比较电路的第一输入端，电压基准电路与比较电路的第二输入端连接，比较单元的输出端与SiC MOSFET连接。
如图3所示，信号处理电路包括滤波电路、钳位电路和AD转换电路；
滤波电路与温度检测电路连接，用于对来自于温度检测电路的电压信号进行滤波，滤除来自于温度检测电路的电压信号中的高频毛刺电压信号；
钳位电路与滤波电路连接，用于对滤波后的电压信号进行钳位处理；
AD转换电路与钳位电路连接，用于将钳位处理后的电压信号转换数字信号。
如图5所示，电压基准电路包括并联的恒压源电路和基准产生电路。
恒压源电路包括电压基准芯片D2、限流电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3和储能电容C1；
限流电阻R1两端分别连接第二供电电压VCC2和公共连接点A；电压基准芯片D2的阳极连接公共连接点B，其阴极连接公共连接点A，其参考端REF连接至分压电阻R2和分压电阻R3之间；储能电容C1的两端分别连接公共连接点A和公共连接点B；分压电阻R2和分压电阻R3串联后，一端连接公共连接点A，另一端连接公共连接点B。分压电阻R2和分压电阻R3的电阻值决定了恒压源电路的电压值。
基准产生电路包括分压电阻R4、分压电阻R5和储能电容C2；
分压电阻R5和储能电容C2并联后，一端通过分压电阻R4连接公共连接点A，另一端连接公共连接点B。分压电阻R4和分压电阻R5不同的电阻值决定了基准产生电路产生不同的基准电压，该基准电压作为SiC MOSFET短路保护的阈值电压。
如图4所示，电压检测电路包括恒流源控制电路、恒流源电路、盲区电路、滤波电路、泄放电路和二极管检测电路；
恒流源控制电路一端连接数字逻辑电路，另一端与恒流源电路连接；恒流源电路的另一端通过盲区电容和滤波电路与二极管检测电路连接；泄放电路一端连接数字逻辑电路，其另一端连接于滤波电路与二极管检测电路之间。
恒流源控制电路包括非门D1、分压电阻R6、分压电阻R7和滤波电容C3；
非门D1的输入端连接数字逻辑电路和第一供电电压VCC1，其输出端通过分压电阻R6连接公共连接点C，滤波电容C3和分压电阻R7并联后，一端连接公共连接点C，另一端连接公共连接点D。
恒流源电路包括稳压管Z1、限流电阻R8、三极管VT1、三极管VT2、转换电阻R9、分压电阻R10和分压电阻R11；
稳压管Z1的连接公共连接点G，其阴极连接第二供电电压VCC2；限流电阻R8一端连接公共连接点G，另一端连接三极管VT1的集电极，三极管VT1的基极连接公共连接点C，其发射极连接公共连接点D；转换电阻R9的一端连接第二供电电压VCC2，其另一端连接三极管VT2的发射极，三极管VT2的基极连接公共连接点G，其集电极连接公共连接点E，分压电阻R10和分压电阻R11串联后，两端分别连接公共连接点E和公共连接点D。
随着恒流源控制电路触发三极管VT1导通，稳压管Z1和限流电阻R8所在的支路被击穿，从而触发三极管VT2导通，进而第二供电电压VCC2通过三极管VT2和转换电阻R9形成一个恒流源支路，给盲区电容C4充电。
滤波电路包括滤波电阻R12和滤波电容C5；
滤波电阻R12两端分别连接公共连接点E和公共连接点F，滤波电容C5两端分别连接公共连接点F和公共连接点D。
盲区电路包括盲区电容C4，盲区电容C4两端分别连接公共连接点E和公共连接点D，盲区电容C2的参数决定了SiC MOSFET的SiC MOSFET漏极和源极之间的电压Vce检测的消隐时间；
二极管检测电路包括多个依次串联的二极管Dz，所有二极管的方向一致，第一个二极管的阳极连接公共连接点F，最后一个二极管的阴极连接SiC MOSFET，具体是连接至SiC MOSFET的漏极，从而提高SiC MOSFET漏极和源极之间的电压Vce检测的动作电压。
泄放电路包括分压电阻R13、分压电阻R14、滤波电容C6和三极管VT3；
三极管VT3的集电极连接公共连接点F，其发射极连接公共连接点H，其基极连接公共点I，分压电阻R14和滤波电容C6并立案后，一端连接公共连接点H，另一端连接公共连接点I，分压电阻R13一端连接公共连接点I，另一端连接数字逻辑电路。通过触发三极管VT3使三极管VT3导通对盲区电容C4两端的电压进行泄放。
温度检测电路包括温度传感器，通过温度传感器采集SiC MOSFET所在的散热器的温度，通过采集SiC MOSFET所在的散热器的温度间接检测SiC MOSFET的温度。
数字逻辑电路包括可编程逻辑器件CPLD。
为了描述的方便，以上装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，包括温度检测电路和控制电路；
所述温度检测电路与SiC MOSFET连接，用于采集SiC MOSFET所在的散热器的温度，并将采集的温度转换为电压信号；
所述控制电路用于基于电压信号和预设的电压偏差确定基准电压，所述控制电路还与SiC MOSFET连接，用于检测SiC MOSFET的SiC MOSFET漏极和源极之间的电压，并基于检测的电压和基准电压对SiC MOSFET进行控制，实现SiC MOSFET的导通或关断。
2.根据权利要求1所述的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，还包括信号处理电路，所述信号处理电路用于对所述电压信号进行处理，得到模拟信号。
3.根据权利要求2所述的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，所述控制电路包括数字逻辑电路、电压基准电路、电压检测电路和比较电路；
所述数字逻辑电路与信号处理电路连接，用于基于模拟信号产生选通信号，还用于从驱动器中的驱动单元获取SiC MOSFET的导通指令；
所述电压基准电路与数字逻辑电路连接，用于基于选通信号和预设的电压偏差输出基准电压；
所述电压检测电路与数字逻辑电路连接，用于基于导通指令获取SiC MOSFET漏极和源极之间的电压；
所述比较电路与电压基准电路和电压检测电路连接，用于将电压检测电路获取的电压和电压基准电路输出的基准电压进行比较，所述比较单元还与SiC MOSFET连接，用于在电压检测电路获取的电压达到电压基准电路输出的基准电压时关断SiC MOSFET。
4.根据权利要求2所述的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，所述信号处理电路包括滤波电路、钳位电路和AD转换电路；
所述滤波电路与温度检测电路连接，用于对来自于温度检测电路的电压信号进行滤波；
所述钳位电路与滤波电路连接，用于对滤波后的电压信号进行钳位处理；
所述AD转换电路与钳位电路连接，用于将钳位处理后的电压信号转换数字信号。
5.根据权利要求3所述的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，所述电压基准电路包括并联的恒压源电路和基准产生电路。
6.根据权利要求5所述的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，所述恒压源电路包括电压基准芯片D2、限流电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3和储能电容C1；
所述限流电阻R1两端分别连接第二供电电压VCC2和公共连接点A；所述电压基准芯片D2的阳极连接公共连接点B，其阴极连接公共连接点A，其参考端REF连接至分压电阻R2和分压电阻R3之间；所述储能电容C1的两端分别连接公共连接点A和公共连接点B；所述分压电阻R2和分压电阻R3串联后，一端连接公共连接点A，另一端连接公共连接点B；
所述基准产生电路包括分压电阻R4、分压电阻R5和储能电容C2；
所述分压电阻R5和储能电容C2并联后，一端通过分压电阻R4连接公共连接点A，另一端连接公共连接点B。
7.根据权利要求3所述的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，所述电压检测电路包括恒流源控制电路、恒流源电路、盲区电路、滤波电路、泄放电路和二极管检测电路；
所述恒流源控制电路一端连接数字逻辑电路，另一端与恒流源电路连接；所述恒流源电路的另一端通过盲区电容和滤波电路与二极管检测电路连接；所述泄放电路一端连接数字逻辑电路，其另一端连接于滤波电路与二极管检测电路之间。
8.根据权利要求7所述的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，所述恒流源控制电路包括非门D1、分压电阻R6、分压电阻R7和滤波电容C3；
所述非门D1的输入端连接数字逻辑电路和第一供电电压VCC1，其输出端通过分压电阻R6连接公共连接点C，所述滤波电容C3和分压电阻R7并联后，一端连接公共连接点C，另一端连接公共连接点D。
9.根据权利要求8所述的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，所述恒流源电路包括稳压管Z1、限流电阻R8、三极管VT1、三极管VT2、转换电阻R9、分压电阻R10和分压电阻R11；
所述稳压管Z1的连接公共连接点G，其阴极连接第二供电电压VCC2；所述限流电阻R8一端连接公共连接点G，另一端连接三极管VT1的集电极，所述三极管VT1的基极连接公共连接点C，其发射极连接公共连接点D；所述转换电阻R9的一端连接第二供电电压VCC2，其另一端连接三极管VT2的发射极，所述三极管VT2的基极连接公共连接点G，其集电极连接公共连接点E，所述分压电阻R10和分压电阻R11串联后，两端分别连接公共连接点E和公共连接点D。
10.根据权利要求9所述的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，所述滤波电路包括滤波电阻R12和滤波电容C5；
所述滤波电阻R12两端分别连接公共连接点E和公共连接点F，所述滤波电容C5两端分别连接公共连接点F和公共连接点D。
11.根据权利要求10所述的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，所述盲区电路包括盲区电容C4，所述盲区电容C4两端分别连接公共连接点E和公共连接点D；
所述二极管检测电路包括多个串联的二极管Dz，所述二极管检测电路一端连接公共连接点F，其另一端连接SiC MOSFET。
12.根据权利要求10所述的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，所述泄放电路包括分压电阻R13、分压电阻R14、滤波电容C6和三极管VT3；
所述三极管VT3的集电极连接公共连接点F，其发射极连接公共连接点H，其基极连接公共点I，所述分压电阻R14和滤波电容C6并立案后，一端连接公共连接点H，另一端连接公共连接点I，所述分压电阻R13一端连接公共连接点I，另一端连接数字逻辑电路。
13.根据权利要求1所述的SiC MOSFET驱动器的短路保护电路，其特征在于，所述温度检测电路包括温度传感器；
所述数字逻辑电路包括可编程逻辑器件CPLD。
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