CN116435956A - 功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法和栅极驱动器 - Google Patents

功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法和栅极驱动器 Download PDF

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孟昭鹤
恩里科·维科
福斯托·斯特拉
大卫·西坦蒂
拉杜·博乔
邹广才
原诚寅
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Abstract

本发明公开一种功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法和栅极驱动器，其中退饱和检测方法包括：获取功率半导体器件的结温与退饱和电压阈值的对应关系；实时获取所述功率半导体器件的导通电压和结温；根据所述对应关系，确定当前结温对应的电压阈值；判断当前的所述导通电压是否大于当前结温对应的电压阈值，若是，开启过电流保护功能。本发明能够按照功率半导体器件的具体结温来调整触发保护功能的电平，从而在所有运行工况下提供快速且精准的过电流保护功能。

Description

功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法和栅极 驱动器
技术领域
本发明涉及电路技术领域，更具体地，涉及一种功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法和栅极驱动器。
背景技术
退饱和保护功能在功率半导体器件出现过电流或者异常驱动情况(例如在器件导通期间，VGS电压不足)时，能够对功率半导体器件提供保护。在确保功率变换器安全运行方面，发挥重要的作用。此项保护功能可以非常快地(1-2us左右)实施干预，作为对比，以电流传感器为基础的保护功能则需要10至100us的反应时间。功率半导体器件能够耐受短路电流(例如逆变器相间短路电流)的时间只有几μs，因此在大部分情况下，退饱和保护功能是避免器件发生灾难性故障的唯一有效方法。从传统退饱和保护功能来看，是利用功率器件的导通电压来间接地检测器件中的导通电流。如今，在很多栅极驱动器中，已经将退饱和检测功能和相关故障报告功能集成至低压侧数字信号处理器/微控制器。
退饱和保护功能利用器件接通期间的电压降来间接地检测器件中的导通电流。在图1中展示了这方面的示意图。如果功率器件两端的电压超过了特定的电压阈值VDESAT(即检测发现了过电流)，则会出现故障现象。退饱和保护功能通常利用半导体器件导通电压与传导电流之间的相关性。但是，半导体器件的结温会在很大程度上影响导通电压(对于功率场效应晶体管，适用于RDSIDS，而对于绝缘栅双极晶体管，则适用于VTH+RCEICE)，因此若导通电压保持不变，则可能会在不同的电流水平下触发退饱和保护功能。
为了解决这个问题，即避免误触发退饱和保护功能，通常将退饱和电压阈值设置在足够高的水平。但是，也可能在较大的电流区间触发保护功能，这种情况也取决于器件的结温。
在大部分商用栅极驱动器中，已经集成了以被驱动器件导通电压测量为基础的退饱和保护功能。一旦检测出退饱和工况，则表示功率半导体器件出现了故障。另外，在退饱和保护功能之后，为许多商用栅极驱动器提供了软断开功能(即：在低于常规工况的di/dt比值下断开器件)，从而最大程度地降低换向期间在较高di/dt比值下施加在被驱动半导体器件上的过冲电压。
通常利用外部电路图来设置响应延时以及退饱和保护功能的触发电平。鉴于触发水平是固定的，无法在变换器运行过程中调整，因此为了避免误触发，设计人员必须设置足够高的触发电平。在设置此电平时，通常考虑在半导体器件的运行结温范围内，器件能够达到的最高导通电平。触发电平越高，就越容易产生过电流，可能会缩短功率器件的使用寿命，甚至立即引发器件失效。
另外，还可以利用“电流镜”来实现响应快且精度更高的过电流保护功能。按照该解决方案，将部分器件电流引入可与分流器相连的专用引脚内。可利用栅极驱动器对分流器两端的电压进行测量，并基于测得的电压实现快速过电流保护功能。英飞凌公司(Infineon)制造的FF400R07A01E3便是采用这种解决方案的商用器件。采用这种解决方案，能够精准地实现过电流保护功能。但是，这种方案只适用于集成有电流镜功能的有限功率器件。
在两电平电压源逆变器中有一种替代解决方案，即为主电流传感器配备一个精度较低，但带宽较高的相电流传感器。但是，这种解决方案成本高昂，并且在逆变器桥臂发生短路时(这种情况下短路电流直接流过两个桥臂开关，并且与相位输出无关)，无法对变换器提供保护。
当前以退饱和保护功能为基础的技术存在下列缺点：
·现有的退饱和保护功能利用的是固定不变的电压阈值，一旦受保护功率器件的结温发生变化，会导致在不同的电流水平下触发保护功能。
·对于尚未清楚确定退饱和区间的器件(如碳化硅功率场效应晶体管)，即使是最先进的退饱和保护功能，也无法发挥太大的作用。
·为了防止误触发而将触发退饱和保护功能的电压阈值设置在足够高的水平，通常能够避免立即引发功率器件失效，但是如果不断发生过电流，可能会缩短功率器件的使用寿命。
·诸如“电流镜”这种替代解决方案，只适用于已经集成有该功能的器件。
·诸如“快速相电流传感器”这种替代解决方案，会带来相对较高的额外成本，并且在某些故障状态下(例如双电平电压源逆变器发生的桥臂短路故障)，不能对变换器的半导体器件提供保护。
因此，如何按照被保护器件的具体结温来调整保护功能的触发水平，是目前急于解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法和栅极驱动器，能够按照功率半导体器件的具体结温来调整触发保护功能的电平，从而在所有运行工况下提供快速且精准的过电流保护功能。
基于上述目的，本发明提供了一种功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法，包括：
获取功率半导体器件的结温与退饱和电压阈值的对应关系；
实时获取所述功率半导体器件的导通电压和结温；
根据所述对应关系，确定当前结温对应的电压阈值；
判断当前的所述导通电压是否大于当前结温对应的电压阈值，若是，开启过电流保护功能。
可选方案中，根据存储在栅极驱动器内的查找表获取所述功率半导体器件的结温与退饱和电压阈值的对应关系，所述栅极驱动器用于驱动所述功率半导体器件。
可选方案中，所述查找表通过微控制器传输至所述栅极驱动器内。
可选方案中，通过功率半导体器件实验表征或者利用功率半导体器件制造商在手册中提供的信息获得所述查找表。
可选方案中，通过连接在所述栅极驱动器T.MEAS引脚与COM引脚之间的热敏电阻器或热敏二极管获得所述结温。
本发明还提供了一种栅极驱动器，所述栅极驱动器用于驱动功率半导体器件，所述栅极驱动器包括：
存储单元，所述存储单元内存储有所述功率半导体器件的结温与退饱和电压阈值的对应关系；
检测单元，用于实时获取所述功率半导体器件的导通电压和结温；
比较单元，用于判断当前的所述导通电压是否大于当前结温对应的电压阈值；
保护单元，响应于当前的所述导通电压大于当前结温对应的电压阈值的结果，开启过电流保护功能。
可选方案中，所述比较单元为比较器，所述比较器的一个输入端用于输入当前的所述导通电压，另一个输入端连接于所述存储单元的输出端。
可选方案中，所述存储单元中存储有查找表，所述查找表记录所述对应关系，所述存储单元的输入为结温，输出为结温对应的退饱和电压阈值。
可选方案中，所述检测单元包括连接在所述栅极驱动器T.MEAS引脚与COM引脚之间连接的热敏电阻器或热敏二极管，用于将检测到的所述结温输出给所述存储单元。
可选方案中，所述存储器具有串行接口，用于通过微控制器接收所述查找表。
本发明的有益效果在于：
本发明能够按照功率半导体器件的具体结温来调整触发保护功能的电平，从而在所有运行工况下提供快速且精准的过电流保护功能。
只对查找表编程一次即可，并且无需使用外部控制器(主微控制器)。这样便能避免不必要的延时，并同时提高系统的整体可靠性(例如防止驱动器与微控制器之间可能出现的通信失败情况)。
由于设计人员不再需要以缩短器件使用寿命为代价(将保护功能的触发电平设置在较高水平会产生更多过电流，从而缩短使用寿命)来降低保护功能误触发产生的高风险(如果将保护功能的触发电平设置在较低的水平，则可能存在这种风险)，因此可降低退饱和保护功能的设计难度。
本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
图1示出了栅极驱动器退饱和保护功能工作原理图。
图2示出了根据本发明一实施例的栅极驱动器的结构示意图。
图3示出了用于ROHM BSM180D12P3C007碳化硅功率场效应晶体管的查找表示例。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明。虽然本发明提供了优选的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1
本实施例提供了一种功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法，包括：
获取功率半导体器件的结温与退饱和电压阈值的对应关系；
实时获取所述功率半导体器件的导通电压和结温；
根据所述对应关系，确定当前结温对应的电压阈值；
判断当前的所述导通电压是否大于当前结温对应的电压阈值，若是，开启过电流保护功能。
本实施例中，根据存储在栅极驱动器内的查找表获取所述功率半导体器件的结温与退饱和电压阈值的对应关系，所述栅极驱动器用于驱动所述功率半导体器件。所述查找表通过微控制器传输至所述栅极驱动器内。
本实施例中，通过功率半导体器件实验表征或者利用功率半导体器件制造商在手册中提供的信息获得所述查找表。
具体地，在一个具体的实例中，采用在集成电路驱动器T.MEAS引脚与COM引脚之间连接的热敏电阻器或热敏二极管对功率器件的结温进行测量。然后将测得的温度值输入查找表(LUT)内，使其输出适于触发退饱和保护功能的电平。在此查找表内，包含被驱动半导体器件在所考虑栅极驱动电压下的导通电压，以及与结温相关的目标退饱和电流值(即1维查找表)。在图3中，展示了ROHM BSM180D12P3C007碳化硅功率场效应晶体管的示例，其中算得的Vgs＝18V，目标退饱和电流为300A。
可通过半导体器件实验表征(如使用曲线绘图仪)或者利用器件制造商在手册中提供的信息(例如通常按照栅源驱动电压和结温来列示器件的导通特征)来获得查找表。可通过串行外围接口(如图2所示)或者类似的通信接口将查找表内的信息从微控制器传输至驱动器，并保存在驱动器内。完成查找表编程工作以及半导体器件温度测量工作后，利用线性内插算法返回电压阈值，将其与退饱和电压测量结果进行对比。这样，便能在不受器件结温影响的情况下，快速精准地实现过电流保护功能。
本实施例的退饱和保护功能能够不受温度的影响而确定触发保护功能的电流水平，从而实现快速、精准、统一的过电流保护功能。
只对查找表编程一次即可，并且无需使用外部控制器(主微控制器)。这样便能避免不必要的延时，并同时提高系统的整体可靠性(例如防止驱动器与微控制器之间可能出现的通信失败情况)。
由于设计人员不再需要以缩短器件使用寿命为代价(将保护功能的触发电平设置在较高水平会产生更多过电流，从而缩短使用寿命)来降低保护功能误触发产生的高风险(如果将保护功能的触发电平设置在较低的水平，则可能存在这种风险)，因此可降低退饱和保护功能的设计难度。
实施例2
参照图2，本实施例提供了一种栅极驱动器，所述栅极驱动器用于驱动功率半导体器件，该栅极驱动器包括：
存储单元，所述存储单元内存储有所述功率半导体器件的结温与退饱和电压阈值的对应关系；
检测单元，用于实时获取所述功率半导体器件的导通电压和结温；
比较单元，用于判断当前的所述导通电压是否大于当前结温对应的电压阈值；
保护单元，响应于当前的所述导通电压大于当前结温对应的电压阈值的结果，开启过电流保护功能。
本实施例中，所述比较单元为比较器，所述比较器的一个输入端用于输入当前的所述导通电压，另一个输入端连接于所述存储单元的输出端。
本实施例中，所述存储单元中存储有查找表，所述查找表记录所述对应关系，所述存储单元的输入为结温，输出为结温对应的退饱和电压阈值。所述检测单元包括连接在所述栅极驱动器T.MEAS引脚与COM引脚之间连接的热敏电阻器或热敏二极管，用于将检测到的所述结温输出给所述存储单元。所述存储器具有串行接口，用于通过微控制器接收所述查找表。
本实施例的栅极驱动器结构，包含内部查找表，其中此查找表以功率器件的结温为输入，并输出适于触发退饱和保护功能的电压阈值。该退饱和保护功能，其触发水平取决于功率半导体器件的结温，并且能够不受温度的影响而实现过电流保护功能。可通过数字接口从外部对此查找表进行编程。
本发明能够按照功率半导体器件的具体结温来调整触发保护功能的电平，从而在所有运行工况下提供快速且精准的过电流保护功能。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法，其特征在于，包括：
获取功率半导体器件的结温与退饱和电压阈值的对应关系；
实时获取所述功率半导体器件的导通电压和结温；
根据所述对应关系，确定当前结温对应的电压阈值；
判断当前的所述导通电压是否大于当前结温对应的电压阈值，若是，开启过电流保护功能。
2.根据权利要求1所述的功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法，其特征在于，根据存储在栅极驱动器内的查找表获取所述功率半导体器件的结温与退饱和电压阈值的对应关系，所述栅极驱动器用于驱动所述功率半导体器件。
3.根据权利要求2所述的功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法，其特征在于，所述查找表通过微控制器传输至所述栅极驱动器内。
4.根据权利要求2所述的功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法，其特征在于，通过功率半导体器件实验表征或者利用功率半导体器件制造商在手册中提供的信息获得所述查找表。
5.根据权利要求2所述的功率半导体器件过电流保护的自适应退饱和检测方法，其特征在于，通过连接在所述栅极驱动器T.MEAS引脚与COM引脚之间的热敏电阻器或热敏二极管获得所述结温。
6.一种栅极驱动器，所述栅极驱动器用于驱动功率半导体器件，其特征在于，所述栅极驱动器包括：
存储单元，所述存储单元内存储有所述功率半导体器件的结温与退饱和电压阈值的对应关系；
检测单元，用于实时获取所述功率半导体器件的导通电压和结温；
比较单元，用于判断当前的所述导通电压是否大于当前结温对应的电压阈值；
保护单元，响应于当前的所述导通电压大于当前结温对应的电压阈值的结果，开启过电流保护功能。
7.根据权利要求6所述的栅极驱动器，其特征在于，所述比较单元为比较器，所述比较器的一个输入端用于输入当前的所述导通电压，另一个输入端连接于所述存储单元的输出端。
8.根据权利要求7所述的栅极驱动器，其特征在于，所述存储单元中存储有查找表，所述查找表记录所述对应关系，所述存储单元的输入为结温，输出为结温对应的退饱和电压阈值。
9.根据权利要求8所述的栅极驱动器，其特征在于，所述检测单元包括连接在所述栅极驱动器T.MEAS引脚与COM引脚之间连接的热敏电阻器或热敏二极管，用于将检测到的所述结温输出给所述存储单元。
10.根据权利要求8所述的栅极驱动器，其特征在于，所述存储器具有串行接口，用于通过微控制器接收所述查找表。
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