CN116990655B - 一种基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于漏‑源电压变化率的晶体管短路检测电路和方法，包括：RC缓冲电路、峰值检测电路和短路判断电路；RC缓冲电路检测所述晶体管的漏‑源电压变化率后输出一与漏‑源电压变化率成正比的监测电压信号至峰值检测电路；峰值检测电路检测并输出监测电压信号至短路判断电路；短路判断电路将监测电压信号进行放大后与一参考电压进行对比，根据比较结果判断晶体管是否发生短路。本发明通过检测晶体管的漏‑源电压变化率来判断晶体管是否短路，无需外接多余的积分电路和高压二极管，也无需考虑多余的消隐时间，减少了短路检测的响应时间且电路结构简单，设计成本低。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路和方法。
背景技术
近年来，由于碳化硅-金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)导通电阻小、开关速度快、功率密度大、耐高温高压等良好的器件特性，逐渐取代IGBT器件被应用于大功率电源、变换器和输电等电力领域。但同时，较小的芯片体积和薄弱的门极介电层使SiCMOSFET具有较弱的短路承受能力。因此，在实际应用中需要更加快速、可靠的短路保护电路。
现有技术中的短路检测方法有以下几类：
（1）基于漏极电压的退饱和检测，该方法利用器件发生短路时退出饱和区的现象作为短路判定的依据，但是这种方法在触发前需要一定的消隐时间来防止误触发，这增加了短路检测的响应时间，且SiC MOSFET的饱和区拐点不明显，因此该方法不适用于SiCMOSFET的短路保护。
（2）基于源极寄生电感的电流斜率检测法，该方法通过检测器件短路时较大的电流斜率在寄生电感两端感生的电压大小作为判断器件短路状态的依据，该方法通常需要额外的滤波电路和积分电路来对电感的电压信号进行处理，增加了检测的响应时间。并且，该信号的分辨率严重依赖于器件源极寄生电感的大小，与目前的低寄生电感封装设计趋势相违背。
（3）基于门极电压或电荷的检测，该方法利用的是器件在短路开通时没有显著的米勒平台的这一特点作为器件短路的判断依据，但该方法只能检测硬开关故障（HSF）类型的短路，对负载故障(FUL)类型无法检测。
SiC分立器件的芯片短路承受时间较短，为了使SiC MOSFET在发生短路后及时关断，避免热击穿带来的损害，短路检测的速度需要进一步提升。此外，为确保SiC器件安全可靠工作，其短路检测和保护方法应具备动态响应快速、抗干扰能力强、检测电路对SiC器件性能无明显影响、检测短路要尽可能简单且性价比高等特点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路和方法，电路结构更简单，短路检测速度更快，且兼容两种短路故障类型。
本发明提供一种基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路，包括：RC缓冲电路、峰值检测电路和短路判断电路；
所述RC缓冲电路检测晶体管的漏-源电压变化率后输出一与漏-源电压变化率成正比的监测电压信号至所述峰值检测电路；
所述峰值检测电路检测并输出监测电压信号至所述短路判断电路；
所述监测电压信号通过所述短路判断电路进行放大后，与一参考电压进行对比，根据比较结果判断所述晶体管是否发生短路。
进一步的，所述RC缓冲电路包括第一电容、第一电阻和第二电阻；
所述第二电阻的一端与所述晶体管的源极相连并接入功率地；所述第一电容的一端与所述晶体管的漏极相连；
所述第一电容的另一端与所述第一电阻的一端相连；所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的另一端相连，形成公共输出端；
所述公共输出端输出所述监测电压信号至所述峰值检测电路。
进一步的，所述峰值检测电路包括负载峰值检测模块；
所述负载峰值检测模块包括二极管和第二电容；
所述二极管的阳极与所述公共输出端相连，所述二极管的阴极与所述第二电容的一端相连，并与所述短路判断电路相连；所述第二电容的另一端与所述第二电阻和所述晶体管的源极相连的一端相连，且还与所述短路判断电路相连。
进一步的，所述二极管为肖特基二极管。
进一步的，所述峰值检测电路还包括负载开关，所述负载开关为N沟道增强型场效应管。
进一步的，所述N沟道增强型场效应管的门极与所述公共输出端相连，源极与所述二极管的阴极以及所述第二电容的一端相连，漏极与所述第二电阻和所述晶体管的源极相连的一端以及所述第二电容的另一端相连。
进一步的，所述短路判断电路包括第三电阻、第四电阻、第一放大器和第二放大器；
所述第二电容的一端通过所述第三电阻接入所述第一放大器的反向输入端，所述第二电容的另一端与所述第一放大器的同向输入端相连；所述第四电阻的一端与所述第三电阻输入至第一放大器反向输入端的一端相连，且并联在所述第一放大器的反向输入端和输出端之间。
所述第一放大器的输出端与所述第二放大器U2的反向输入端相连，所述第二放大器的同向输入端接一参考电压，所述第二放大器U2的输出端输出判定信号。
进一步的，接入所述短路判断电路中所述第二反向放大器的参考电压值为
；
其中，R4为所述第四电阻的阻值，R3为所述第三电阻的阻值，R1为所述第一电阻的阻值，RD1为所述二极管的导通电阻，C1为所述第一电容的电容值，为所述晶体管的漏-源电压变化率。
本发明还提供一种基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测方法，采用上述的基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路，所述方法包括：
RC缓冲电路检测晶体管的漏-源电压变化率后输出一与漏-源电压变化率成正比的监测电压信号至峰值检测电路；
所述峰值检测电路检测并输出监测电压信号至短路判断电路；
所述监测电压信号经所述短路判断电路进行放大后，与一参考电压进行对比，根据比较结果判断所述晶体管是否发生短路。
进一步的，当所述晶体管处于关断或短路状态时，所述峰值检测电路输出所述监测电压信号的最大值至所述短路判断电路，所述监测电压信号的最大值与所述参考电压进行对比后，所述短路判断电路输出高电平信号；
当所述晶体管处于正常开通状态时，所述峰值检测电路输出所述监测电压信号的最大值至所述短路判断电路，所述监测电压信号与所述参考电压进行对比后，所述短路判断电路输出低电平信号。
本发明相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：
本发明采用检测晶体管的漏-源电压变化率的方法来判断晶体管是否短路，通过RC缓冲电路、峰值检测电路和短路判断电路对所述晶体管的漏-源电压变化率进行包括采样、放大和比较等操作后，实现对于不同短路情况的判断，无需外接多余的积分电路和高压二极管，也无需考虑多余的消隐时间，减少了短路检测的响应时间，且电路结构简单，设计成本低。
进一步的，本发明可通过测试第二电阻两端的电压变化判断晶体管发生何种短路故障，判断方式简单，保护晶体管在更多情况下的安全使用。
附图说明
图1为本发明实施例一中的基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路的电路结构示意图；
图2为本发明实施例二中的正常工况下的SiC MOSFET器件及检测电路的输出波形图；
图3为本发明实施例二中的SiC MOSFET器件短路故障检测时各信号的波形示意图；
图4为本发明实施例二中的I型短路故障下SiC MOSFET器件及检测电路中各信号的输出波形；
图5为本发明实施例二中的II型短路故障下SiC MOSFET器件及检测电路中各信号的输出波形。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明一种基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路和方法的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本实施例提供一种基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路，请参考图1，包括：RC缓冲电路1、峰值检测电路2和短路判断电路3。
所述RC缓冲电路1检测晶体管Q1的漏-源电压变化率后输出一与漏-源电压变化率/>成正比的监测电压信号VRS至所述峰值检测电路2。
所述峰值检测电路2检测所述监测电压信号VRS并输出所述监测电压信号的最大值Vc1至所述短路判断电路3。
所述短路判断电路3将所述监测电压信号VRS的最大值进行放大后与一参考电压Vref进行对比，根据比较结果判断所述晶体管Q1是否发生短路。
在一具体示例中，通过PWM控制所述晶体管Q1的开断
在另一具体示例中，所述晶体管Q1可以为SiC MOSFET器件，也可以是其他种类的晶体管，例如：IGBT（绝缘栅双极型晶体管）和GaN HEMT（氮化镓高电子迁移率晶体管）。
具体的，所述RC缓冲电路1包括第一电容C1、第一电阻R1和第二电阻R2。
所述晶体管Q1的源极与所述第二电阻R2的一端相连并接入功率地；所述晶体管Q1的漏极与所述第一电容C1的一端相连。
所述第一电容C1的另一端与所述第一电阻R1的一端相连；所述第一电阻R1的另一端与所述第二电阻R2的另一端相连，形成公共输出端。
所述公共输出端也即为晶体管Q1漏-源电压变化率的检测点，所述公共输出端输出所述监测电压信号Vdip至所述峰值检测电路2。
在本示例中，所述缓冲电路1用于消除或降低晶体管Q1的震荡，同时检测晶体管Q1漏-源电压变化率并输出与漏-源电压变化率/>成正比的监测电压信号Vdip。
具体的，第一电阻R1两端的电压为RC缓冲电路1的输出电压，同时也是后端峰值检测电路2的输入电压，也即为监测电压信号Vdip。
监测电压信号Vdip的值为：。其中，为所述第一电阻的阻值，C1为
所述第一电容的电容值，为所述晶体管Q1的漏-源电压变化率。
在一具体示例中，所述晶体管Q1的源极与一电感L1相连，所述第二电阻R2的一端与电感L1的一端相连，所述晶体管Q1还通过所述电感L1接功率地。改变电感L1的电感值，可以改变晶体管Q1的输出信号的增益和频率响应。
进一步的，所述峰值检测电路2包括负载峰值检测模块。
所述负载峰值检测模块包括二极管D1和第二电容C2。
所述二极管D1的阳极与所述公共输出端相连，所述二极管D1的阴极与所述第二电容C2的一端相连，并与所述短路判断电路3相连；所述第二电容C2的另一端与所述第二电阻R2和所述晶体管Q1的源极相连的一端相连，并与所述短路判断电路3相连。
在一具体示例中，所述二极管D1为肖特基二极管，所述肖特基二极管的开关速度更快，导通电阻RD1更小，可以使得检测成本更低，且检测速度更快。
当所述监测电压信号Vdip为负值时，监测电压信号Vdip从公共输出端输入至所述二极管D1的阳极，并为第二电容C2充电，监测电压信号Vdip还输入至所述短路判断电路3。此时，所述第二电容C2的电压值将会随着监测电压信号Vdip的大小发生变化，且在第二电容C2中保存监测电压信号的最大值Vc1。
具体的，监测电压信号的最大值为Vc1为。
其中，R2为所述第二电阻的阻值，RD1为所述二极管的导通电阻，为所述晶体管的漏-源电压变化率，C1为所述第一电容的电容值。
进一步的，所述峰值检测电路2还包括负载开关，所述负载开关为N沟道增强型场效应管M1。可以理解的是，N沟道增强型场效应管M1开关速度较普通的场效应管开关速度更快，且导通阻值更低，更为稳定可靠。较P沟道增强型场效应管也有较低的开启电压，进一步降低检测成本，提高检测速度。
当所述监测电压信号Vdip为正值时，所述N沟道增强型场效应管M1开通，此时，所述第二电容C2通过N沟道增强型场效应管M1的导通电阻开始放电，所述监测电压信号的最大值Vc1输入至所述第一放大器U1。
此外，本示例还包括短路判断电路3，短路判断电路3包括第三电阻R3、第四电阻R4、第一放大器U1和第二放大器U2。
所述第二电容C2的一端通过所述第三电阻R3接入所述第一放大器U1的反向输入端，所述第二电容C2的另一端与所述第一放大器U1的同向输入端相连；所述第四电阻R4的一端与所述第三电阻R3输入至第一放大器U1反向输入端的一端相连，且并联在所述第一放大器U1的反向输入端和输出端之间。
所述第一放大器U1的输出端与所述第二放大器U2的反向输入端相连，所述第二放大器U2的同向输入端接一参考电压Vref，所述第二放大器U2的输出端输出判定信号Vfault。
其中，第一电阻R1、第二电阻R2与第一放大器U1构成反比例放大电路，所述第一放大器U1对所述监测电压信号Vdip进行反向放大后，将所述监测电压信号的最大值VC1传递至第二放大器U2，与参考电压Vref做比较，输出一判定信号Vfault，从而判定是否晶体管Q1发生短路。
在一具体示例中，所述参考电压Vref的电压大小为。
其中，R4为所述第四电阻的阻值，R3为所述第三电阻的阻值，R1为所述第一电阻的阻值，RD1为所述二极管的导通电阻，C1为所述第一电容的电容值，为所述晶体管Q1的漏-源电压变化率。
由此可见，本实施例通过RC缓冲电路1、峰值检测电路2和短路判断电路3对所述晶体管Q1的漏-源电压变化率进行包括采样、放大和比较等操作，实现对于不同短路情况的判断，无需接多余的积分电路，也无需考虑多余的消隐时间，减少了短路检测的响应时间，更能实现对于SiC MOSFET器件的短路保护。且本实施例中的电子元件，例如二极管和场效应管皆选择开关速度更快和开启电压更小的种类，进一步提升了检测速度和测试成本。
实施例二
本实施例提供一种基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测方法，采用实施例一中的基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路，所述方法包括：
RC缓冲电路1检测晶体管Q1的漏-源电压变化率后输出一与漏-源电压变化率成正比的监测电压信号Vdip至峰值检测电路2。
所述峰值检测电路2检测并输出监测电压信号Vdip至短路判断电路3。
所述监测电压信号Vdip通过所述短路判断电路3进行放大后，与一参考电压Vref进行对比，并根据比较结果判断所述晶体管Q1是否发生短路。
请参考图2和图3，在一具体示例中，正常工况下的SiC MOSFET器件开通时，SiCMOSFET漏-源电压Vds由DC母线电容下降至导通压降后保持，斜率先负后零，此时监测电压信号Vdip(第一电阻R1两端电压)电压波形根据上式为先负后零。参考图3，当SiC MOSFET漏-源电压Vds的斜率由零变为正时，所述SiC MOSFET器件短路。
进一步的，请参考图4，当发生I型短路时，SiC MOSFET漏-源电压Vds下降后快速回升至DC电压，漏-源电压变化率先正后负，此时监测电压信号Vdip对地先负后正。请参考图5，当发生II型短路时，SiC MOSFET漏-源电压Vds从导通压降迅速上升，SiC MOSFET器件的漏-源电压变化率/>为正，此时监测电压信号Vdip对地为正压。
通过检测监测电压信号Vdip的电压波形变化，判断SiC MOSFET器件是何种短路情况，判断方法简单，且电路结构设计成本低。
进一步的，采用实施例一中的基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路时，只有当SiC MOSFET器件短路和正常关断时，监测电压信号Vdip为正电压，此时，第二电容C2持续放电。当SiC MOSFET器件正常工作时，第二电容C2持续充电，从而检测并保存监测电压信号的最大值VC1。
当所述SiC MOSFET器件短路或断开时，监测电压信号的最大值VC1输入至所述短路判断电路3并与参考电压Vref进行比较，此时，所述第二放大器U2输出高电平。例如为5V。当所述SiC MOSFET器件正常工作时，监测电压信号Vdip输入至所述短路判断电路3，此时，所述第二放大器U2输出低电平，例如为0V。可以理解的是，参考电压Vref的值可以根据实际情况设置。
本实施例公开的基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测方法所带来的技术效果与实施例一中基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路带来的技术效果相同，在此不再赘述。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路，其特征在于，包括：RC缓冲电路、峰值检测电路和短路判断电路；
所述RC缓冲电路检测晶体管的漏-源电压变化率后输出一与漏-源电压变化率成正比的监测电压信号至所述峰值检测电路；
所述RC缓冲电路包括第一电容、第一电阻和第二电阻；
所述第二电阻的一端与所述晶体管的源极相连并接入功率地；所述第一电容的一端与所述晶体管的漏极相连；
所述第一电容的另一端与所述第一电阻的一端相连；所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的另一端相连，形成公共输出端；
所述公共输出端输出所述监测电压信号至所述峰值检测电路；
所述峰值检测电路检测并输出监测电压信号的最大值至所述短路判断电路；
所述峰值检测电路包括负载峰值检测模块；所述负载峰值检测模块包括二极管和第二电容；
所述二极管的阳极与公共输出端相连，所述二极管的阴极与所述第二电容的一端相连，并与所述短路判断电路相连；所述第二电容的另一端与所述第二电阻和所述晶体管的源极相连的一端相连，且还与所述短路判断电路相连；
所述峰值检测电路还包括N沟道增强型场效应管；
所述N沟道增强型场效应管的门极与所述公共输出端相连，源极与所述二极管的阴极以及所述第二电容的一端相连，漏极与所述第二电阻和所述晶体管的源极相连的一端以及所述第二电容的另一端相连；
所述监测电压信号的最大值通过所述短路判断电路进行放大后，与一参考电压进行对比，根据比较结果判断所述晶体管是否发生短路。
2.如权利要求1所述的基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路，其特征在于，所述二极管为肖特基二极管。
3.如权利要求1所述的基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路，其特征在于，所述短路判断电路包括第三电阻、第四电阻、第一放大器和第二放大器；
所述第二电容的一端通过所述第三电阻接入所述第一放大器的反向输入端，所述第二电容的另一端与所述第一放大器的同向输入端相连；所述第四电阻的一端与所述第三电阻输入至第一放大器反向输入端的一端相连，且并联在所述第一放大器的反向输入端和输出端之间；
所述第一放大器的输出端与所述第二放大器U2的反向输入端相连，所述第二放大器的同向输入端接一参考电压，所述第二放大器U2的输出端输出判定信号。
4.如权利要求3所述的基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路，其特征在于，
接入所述短路判断电路中所述第二放大器的参考电压的值为
；
其中，R4为所述第四电阻的阻值，R3为所述第三电阻的阻值，R1为所述第一电阻的阻值，RD1为所述二极管的导通电阻，C1为所述第一电容的电容值，为所述晶体管的漏-源电压变化率。
5.一种基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测方法，采用如权利要求1-4中任一项所述的基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测电路，其特征在于，所述方法包括：
RC缓冲电路检测晶体管的漏-源电压变化率后输出一与漏-源电压变化率成正比的监测电压信号至峰值检测电路；
所述峰值检测电路检测并输出监测电压信号的最大值至短路判断电路；
所述监测电压信号的最大值经所述短路判断电路进行放大后，与一参考电压进行对比，根据比较结果判断所述晶体管是否发生短路。
6.如权利要求5所述的基于漏-源电压变化率的晶体管短路检测方法，其特征在于，
当所述晶体管处于关断或短路状态时，所述峰值检测电路输出所述监测电压信号的最大值至所述短路判断电路，所述监测电压信号的最大值与所述参考电压进行对比后，所述短路判断电路输出高电平信号；
当所述晶体管处于正常开通状态时，所述峰值检测电路输出所述监测电压信号的最大值至所述短路判断电路，所述监测电压信号的最大值与所述参考电压进行对比后，所述短路判断电路输出低电平信号。
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