CN114221300A - 一种SiC MOSFET短路保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SiC MOSFET短路保护电路，包括峰值采集模块、短路监测模块、隔离和锁存模块，所述峰值采集模块监测SiC MOSFET源极寄生电感上的电压波动而触发短路监测模块开始工作；所述短路监测模块判断是否发生短路并输出短路故障信号，隔离和锁存模块负责将各类信号进行隔离与锁存，通过这种结构，既能快速实现保护动作，同时又能对不同类型短路故障实现精准监测识别，再者使用的元件较少，保证较低成本的同时还易于集成在驱动电路中，以便实际应用。

Description

一种SiC MOSFET短路保护电路
技术领域
本发明涉及功率半导体器件短路保护领域，尤其涉及一种针对TO-247-4封装或功率模块的SiC MOSFET短路保护电路。
背景技术
随着宽禁带功率半导体器件在工程应用中的普及，SiC MOSFET器件凭借其高开关速度、高功率密度和低损耗的特点逐步取代IGBT在工业自动化、消费电子以及新能源等领域的市场份额。但是，SiC MOSFET较脆弱的栅极结构致使其在面临短路故障时的可靠性逊于IGBT，有关研究也表明SiC MOSFET的短路耐受时间要远短于IGBT。
现已有多种针对IGBT器件所研发的短路保护方法，该类方法的总体特点是对短路故障的识别与动作时间较长，相较于SiC MOSFET的短路耐受时间，并不能及时对SiCMOSFET起到保护作用，并且实际的短路故障还分为硬开关故障（桥臂直通）和负载短路（相间短路）故障，一些方法的保护效果受短路故障种类的影响，也就是说并不是两种短路故障都能触发短路保护动作，从而为设备的安全运行埋下隐患，此外SiC MOSFET更快的开关速度还可能为此类短路保护方法带来误触发的风险。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种SiC MOSFET短路保护电路，该电路既能快速实现保护动作，同时又能对不同类型短路故障实现精准监测识别，再者使用的元件较少，保证较低成本的同时还易于集成在驱动电路中，以便实际应用。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种SiC MOSFET短路保护电路，包括SiC MOSFET，还包括峰值采集模块、短路监测模块以及隔离和锁存模块；
所述峰值采集模块的输入端与SiC MOSFET连接，用于监测SiC MOSFET的电流变化，其输出端与短路监测模块连接，当该电流变化超过设定阈值时，峰值采集模块能够触发短路监测模块工作；
所述短路监测模块的输入端分别与SiC MOSFET和峰值采集模块连接，用于监测SiC MOSFET的导通电压，其输出端与隔离和锁存模块连接；当该导通电压超过设定阈值时，短路监测模块向隔离和锁存模块发送故障信号；
所述隔离和锁存模块的输入端与短路监测模块连接，其输出端与一控制器的输入端连接，该控制器的输出端与SiC MOSFET连接，所述隔离和锁存模块接收故障信号后能够通过该控制器关断SiC MOSFET。
作为优化，所述峰值采集模块包括二极管D1、稳压二极管Z1、电容C1、电阻R1以及MOS管T1；
所述二极管D1的阳极与SiC MOSFET的辅助源极连接，二极管D1的阴极与电阻R1的一端、电容C1的一端、稳压二极管Z1的阴极以及MOS管T1的栅极连接；电阻R1的另一端与电容C1的另一端、稳压二极管Z1的阳极、MOS管T1的源极以及SiC MOSFET的源极连接并接地；MOS管T1的漏极作为峰值采集模块的输出端，与短路监测模块连接。
作为优化，所述短路监测模块包括电阻R2、电阻R3、二极管D2以及具有输出信号锁存功能的电压比较器U1；
所述电阻R2的一端作为短路监测模块的正输入端与SiC MOSFET的漏极连接；电阻R2的另一端、电阻R3的一端、电压比较器U1的正向输入端以及二极管D2的阴极连接；电阻R3的另一端与二极管D2的阳极连接并作为短路监测模块的负输入端和峰值采集模块的输出端连接；电压比较器U1的反向输入端输入设定的参考电压；电压比较器U1的信号输出引脚作为短路监测模块的输出端与隔离和锁存模块的输入端连接，用于发送故障信号。
作为优化，所述隔离和锁存模块包括数字隔离器U2和RS触发器U3；
所述数字隔离器U2的第一输入端与短路监测模块的输出端连接，其第一输出端与RS触发器U3的R引脚连接；RS触发器的Q引脚与控制器的故障中断触发引脚连接，其S引脚输入故障复位信号。
作为优化，所述数字隔离器U2还具有第二输入端和第二输出端，其第二输入端与控制器的短路保护使能引脚连接，其第二输出端与电压比较器U1的信号输入引脚连接。
本申请与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供的一种SiC MOSFET短路保护电路，包括峰值采集模块、短路监测模块、隔离和锁存模块，所述峰值采集模块监测SiC MOSFET源极寄生电感上的电压波动而触发短路监测模块开始工作；所述短路监测模块判断是否发生短路并输出短路故障信号，隔离和锁存模块负责将各类信号进行隔离与锁存，通过这种结构，既能快速实现保护动作，同时又能对不同类型短路故障实现精准监测识别，再者使用的元件较少，保证较低成本的同时还易于集成在驱动电路中，以便实际应用。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的峰值采集模块的电路原理图；
图3为本发明的短路监测模块的电路原理图；
图4为本发明的隔离和锁存模块的电路原理图；
图5为所述短路保护电路在面对硬开关故障（桥臂直通）时，SiC MOSFET的漏源电压Vds与漏源电流Ids，电阻R3两端电压VR3以及电压比较器U1输出的故障信号的实测波形图；
图6为所述短路保护电路在面对负载短路故障（相间短路）时，SiC MOSFET的漏源电压Vds与漏源电流Ids，电阻R3两端电压VR3以及电压比较器U1输出的故障信号的实测波形图；。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施时：参见图1至图6，
如图所示，本发明提供的一种SiC MOSFET短路保护电路，包括峰值采集模块、短路监测模块、隔离和锁存模块，所述峰值采集模块监测SiC MOSFET源极寄生电感上的电压波动而触发短路监测模块开始工作；所述短路监测模块判断是否发生短路并输出短路故障信号，隔离和锁存模块负责将各类信号进行隔离与锁存，通过这种结构，既能快速实现保护动作，同时又能对不同类型短路故障实现精准监测识别，再者使用的元件较少，保证较低成本的同时还易于集成在驱动电路中，以便实际应用。
在本实例中，所述峰值采集模块包括二极管D1、稳压二极管Z1、电容C1、电阻R1以及MOS管T1；
所述二极管D1的阳极与被保护的SiC MOSFET的辅助源极连接，二极管D1的阴极与电阻R1的一端、电容C1的一端、稳压二极管Z1的阴极以及MOS管T1的栅极连接；电阻R1的另一端与电容C1的另一端、稳压二极管Z1的阳极、MOS管T1的源极以及被保护SiC MOSFET的源极连接并接地；MOS管T1的漏极作为峰值采集模块的输出端，与短路监测模块的负输入端连接。
其中，所述峰值采集模块按照如下方式工作：
当被保护的SiC MOSFET所流过的漏源电流发生较大幅度的电流变化时，变化的电流会引起SiC MOSFET的开尔文源极与源极间寄生电感上的电压Vss波动，由二极管D1、电容C1以及电阻R1组成的峰值采集模块会采集SiC MOSFET器件的Vss信号，并将Vss的峰值保持并转化为Vp，若Vp超过MOS管T1的阈值电压，则MOS管T1导通，致使短路监测模块被触发。
在本实例中，还包括短路监测模块，所述短路监测模块的正输入端与被保护SiCMOSFET的漏极连接，负输入端与峰值采集模块的输出端连接并构成开漏输出；短路监测电路的故障信号输出端和锁存信号输入端与隔离和锁存模块的输入和输出端连接。
其中，所述短路监测模块包括电阻R2、电阻R3、二极管D2以及具有输出信号锁存功能的电压比较器U1；
所述电阻R2的一端与被保护SiC MOSFET的漏极连接；电阻R2的另一端、电阻R3的一端、电压比较器U1的正向输入端以及二极管D2的阴极连接；电阻R3的另一端与二极管D2的阳极和峰值采集模块的输出端连接；电压比较器U1的反向输入端输入设定的参考电压；电压比较器U1的信号输出引脚输出短路故障信号Fault与隔离和锁存模块的输入端连接，电压比较器U1的信号输入引脚输入锁存信号Latch与隔离和锁存模块的输出端连接。
其中，电阻R2、电阻R3以及峰值采集模块中的MOS管T1一同组成了开漏输出电路，当MOS管T1导通后，与被保护SiC MOSFET漏源两极间同等大小的电压会施加在由电阻R2和电阻R3组成的分压电路上，二极管D2负责保护电压比较器U1防止其正向输入端的电压为负值，若电阻R3两端的电压VR3高于所设定的保护动作阈值，则表明发生了短路故障，电压比较器U1便会通过比较输出短路故障信号给隔离和锁存模块，同时由于SiC MOSFET同样会面临电流发生剧烈变化并且漏源电压升高的过程，但是电压比较器U1无法对此现象与短路故障现象进行分辨，因此需要在SiC MOSFET关断之前对电压比较器U1进行禁用操作，防止其误触发短路保护，所以还需要对电压比较器U1输入锁存信号Latch。
本实例中，所述隔离和锁存模块包括数字隔离器U2以及RS触发器U3。
因为电压比较器U1的Vee电位是会随着MOS管T1的开关而来回浮动的，并不与控制器回路共地，再者为增加电路的安全性，有必要在短路保护电路与控制电路之间加入隔离措施，此外为保证短路故障发生后电路能够安全停止运行，还需要对故障信号进行捕捉以及锁存，这样经过仔细检查和复位操作之后所有电路才能再次工作，因此加入RS触发器U3对故障信号进行锁存。
其中，所述的数字隔离器U2具有两个输入端，其中第一输入端输入来自短路监测模块的Fault信号，第二输入端输入来自控制器短路保护使能引脚的Latch信号；数字隔离器U2具有两个输出端，第二输出端输出经过隔离后的锁存Latch信号，第一输出端输出经过隔离后的Fault信号给RS触发器的R引脚；RS触发器的S输入端输入故障复位信号Reset，Q输出端与控制器的短路故障中断触发引脚连接。
图5为所述短路保护电路在面对硬开关故障（桥臂直通）时，SiC MOSFET的漏源电压Vds与漏源电流Ids，电阻R3两端电压VR3以及电压比较器U1输出的Fault信号的实测波形图。如图5所示，t1时刻发生短路故障，Ids开始增大；t2时刻，MOS管T1导通，致使电阻R3两端电压VR3开始上升；当VR3在t3时刻升至所设定的动作阈值0.12V之后，电压比较器U1在经过短暂的比较延迟后，在t4时刻输出高电平的Fault信号；最终，短路电流Ids在t5时刻开始减小。若定义短路保护延迟为，从Ids开始增大到Ids达到峰值，整个过程共用时70ns左右。
图6为所述短路保护电路在面对负载短路故障（相间短路）时，SiC MOSFET的漏源电压Vds与漏源电流Ids，电阻R3两端电压VR3以及电压比较器U1输出的Fault信号的实测波形图。如图6所示，t1时刻前MOS管T1已经导通，t1时刻发生负载短路，Ids开始增大，VR3也随之一起增大；t2时刻，VR3升至所设定的0.12V动作阈值；t3时刻，电压比较器U1在经过短暂的比较延迟后输出高电平的Fault信号；最终，短路电流Ids在t4时刻开始减小。若定义短路保护延迟为，从Ids开始增大到Ids达到峰值，整个过程共用时170ns左右。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以在不脱离本发明的原理和基础的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附加权利要求极其等同物限定，因此本发明的实施例只是针对本发明的一个说明示例，无论从哪一点来看本发明的实施例都不构成对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种SiC MOSFET短路保护电路，包括SiC MOSFET，其特征在于：还包括峰值采集模块、短路监测模块以及隔离和锁存模块；
所述峰值采集模块的输入端与SiC MOSFET连接，用于监测SiC MOSFET的电流变化，其输出端与短路监测模块连接，当该电流变化超过设定阈值时，峰值采集模块能够触发短路监测模块工作；
所述短路监测模块的输入端分别与SiC MOSFET和峰值采集模块连接，用于监测SiCMOSFET的导通电压，其输出端与隔离和锁存模块连接；当该导通电压超过设定阈值时，短路监测模块向隔离和锁存模块发送故障信号；
所述隔离和锁存模块的输入端与短路监测模块连接，其输出端与一控制器的输入端连接，该控制器的输出端与SiC MOSFET连接，所述隔离和锁存模块接收故障信号后能够通过该控制器关断SiC MOSFET。
2.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET短路保护电路，其特征在于：所述峰值采集模块包括二极管D1、稳压二极管Z1、电容C1、电阻R1以及MOS管T1；
所述二极管D1的阳极与SiC MOSFET的辅助源极连接，二极管D1的阴极与电阻R1的一端、电容C1的一端、稳压二极管Z1的阴极以及MOS管T1的栅极连接；电阻R1的另一端与电容C1的另一端、稳压二极管Z1的阳极、MOS管T1的源极以及SiC MOSFET的源极连接并接地；MOS管T1的漏极作为峰值采集模块的输出端，与短路监测模块连接。
3.根据权利要求2所述的一种SiC MOSFET短路保护电路，其特征在于：所述短路监测模块包括电阻R2、电阻R3、二极管D2以及具有输出信号锁存功能的电压比较器U1；
所述电阻R2的一端作为短路监测模块的正输入端与SiC MOSFET的漏极连接；电阻R2的另一端、电阻R3的一端、电压比较器U1的正向输入端以及二极管D2的阴极连接；电阻R3的另一端与二极管D2的阳极连接并作为短路监测模块的负输入端和峰值采集模块的输出端连接；电压比较器U1的反向输入端输入设定的参考电压；电压比较器U1的信号输出引脚作为短路监测模块的输出端与隔离和锁存模块的输入端连接，用于发送故障信号。
4.根据权利要求3所述的一种SiC MOSFET短路保护电路，其特征在于：所述隔离和锁存模块包括数字隔离器U2和RS触发器U3；
所述数字隔离器U2的第一输入端与短路监测模块的输出端连接，其第一输出端与RS触发器U3的R引脚连接；RS触发器的Q引脚与控制器的故障中断触发引脚连接，其S引脚输入故障复位信号。
5.根据权利要求4所述的一种SiC MOSFET短路保护电路，其特征在于：所述数字隔离器U2还具有第二输入端和第二输出端，其第二输入端与控制器的短路保护使能引脚连接，其第二输出端与电压比较器U1的信号输入引脚连接。
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