CN205693341U - 高压sic器件过流的检测电路、保护电路及检测与保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了高压SIC器件过流的检测电路、保护电路及检测与保护电路，高压SIC器件过流的检测电路包括与待检测SIC器件相连的漏极过流检测元件，与待检测SIC器件的驱动电路的输出端相连的第一限流元件；第二限流元件的一端依次连接有第三限流元件、阻断元件及三极管集电极，第二限流元件的一端依次连接有稳压管、第四限流元件及三极管基极；高压SIC器件过流的保护电路包括与高压SIC器件过流的检测电路相连的开关逻辑信号产生单元，开关逻辑信号产生单元通过驱动电路驱动SIC器件的导通及关断；高压SIC器件过流的检测与保护电路，包括高压SIC器件过流的检测电路及高压SIC器件过流的保护电路。本实用新型结构清晰，实现容易。

Description

高压SIC器件过流的检测电路、保护电路及检测与保护电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子开关器件驱动保护领域，具体涉及高压SIC器件过流的检测电路、保护电路及检测与保护电路。

背景技术

碳化硅(SIC)MOSFET/IGBT具有高压高温特性，随着近几年商业化速度的加快，碳化硅器件越来越受到产业界的广泛关注。SIC MOSFET/IGBT相比传统硅基器件具有理想的栅极绝缘特性，具有更快的开关性能，更低的开关损耗，更高的稳定性，更高的耐压耐高温特性。SIC MOSFET/IGBT与传统的硅基MOSFET/IGBT驱动特性上存在差异，在使用中对其驱动具有特殊的要求。SIC MOSFET/IGBT推荐的开通电压为+18V以上从而保证通态电阻最小；为保证其可靠关断，关断电压为-2～-5V。现有的驱动电路通过辅助电源已能较好地解决驱动电压问题。

目前商业化的碳化硅器件价格较高，在实际中由于器件老化损坏、控制与驱动电路故障或干扰等引起误动、输出线接错或绝缘损坏等形成短路、输出端对地短路、桥臂短路等导致流过SIC MOSFET/IGBT的电流远远大于其安全阈值，如果没有有效的保护或者保护过慢将会影响碳化硅器件使用寿命甚至烧坏器件。因此无论是从成本上还是从安全性上考虑，都需要一种动作迅速的保护电路，在SIC MOSFET/IGBT过流/短路时能及时保护。

实用新型内容

为解决现有技术存在的不足，本实用新型公开了高压SIC器件过流的检测电路、保护电路及检测与保护电路，能够快速检测到碳化硅器件发生过流情况，检测速度快，并能对其进行快速保护，满足在过流时保护电路能对SIC器件进行快速保护的要求。

为实现上述目的，本实用新型的具体方案如下：

一种高压SIC器件过流的检测电路，包括与待检测SIC器件相连的漏极过流检测元件，与待检测SIC器件的驱动电路的输出端相连的第一限流元件；

第二限流元件的一端依次连接有第三限流元件、阻断元件及三极管集电极，第二限流元件的一端依次连接有稳压管、第四限流元件及三极管基极；

所述三极管基极与三极管发射极之间设置有储电元件。

进一步的，所述漏极过流检测元件为高压快恢复二极管，所述第二限流元件、第三限流元件及第四限流元件分别为限流电阻，所述储电元件为无极性电容，阻断元件为阻断二极管。

一种高压SIC器件的过流检测电路的检测方法，包括：

待检测SIC器件过流或短路故障时，待检测SIC器件漏源间电压升高超过稳压管的齐纳电压，漏极过流检测元件由正向偏置变为反向偏置，电流由驱动电路的输出流经稳压管和第四限流元件给储电元件充电，同时三极管导通，将三极管输出电平拉低，实现过流状态的快速检测。

进一步的，待检测SIC器件正常导通时，电流从驱动电路的输出端依次从第二限流元件、漏极过流检测元件流入待检测SIC器件，稳压管所在支路没导通，三极管截止状态，三极管输出为高电平；

待检测SIC器件正常关断时，漏极过流检测元件反向偏置，稳压管正向偏置，三极管截止，三极管输出为高电平。

一种高压SIC器件的过流保护电路，包括与高压SIC器件过流的检测电路相连的开关逻辑信号产生单元，所述开关逻辑信号产生单元通过驱动电路驱动SIC器件的导通及关断；

其中，高压SIC器件过流的检测电路，包括与待检测SIC器件相连的漏极过流检测元件，与待检测SIC器件的驱动电路的输出端相连的第一限流元件；

第二限流元件的一端依次连接有第三限流元件、阻断元件及三极管集电极，第二限流元件的一端依次连接有稳压管、第四限流元件及三极管基极；

所述三极管基极与三极管发射极之间设置有储电元件。

所述开关逻辑信号产生单元包括与高压SIC器件过流的检测电路输出端相连的光耦，经过光耦隔离后的过流信号及控制器发出的开关控制信号均传输至锁存器进行锁存，经过锁存器锁定的过流信号及控制器发出的开关控制信号传输至与门进行运算，与门的输出信号为SIC器件的开关信号。

进一步的，所述SIC器件的开关信号经过驱动电路产生两种电平的驱动电压信号，分别用于驱动SIC器件导通及SIC器件关断。

进一步的，所述驱动电路与SIC器件的栅极之间连接有驱动电阻，驱动电阻与SIC器件的源极之间连接有放电电阻，保证当驱动电路处于高阻输出状态时防止SIC器件栅极的电容被意外充电，该放电电阻提供一个泄放回路。

进一步的，所述驱动电路由隔离辅助电源输出V+和V-为其提供正负驱动电压。

一种高压SIC器件过流的检测与保护电路，包括高压SIC器件过流的检测电路及高压SIC器件过流的保护电路；

其中，高压SIC器件过流的保护电路，包括与高压SIC器件过流的检测电路相连的开关逻 辑信号产生单元，所述开关逻辑信号产生单元通过驱动电路驱动SIC器件的导通及关断；

高压SIC器件过流的检测电路，包括与待检测SIC器件相连的漏极过流检测元件，与待检测SIC器件的驱动电路的输出端相连的第一限流元件；

第二限流元件的一端依次连接有第三限流元件、阻断元件及三极管集电极，第二限流元件的一端依次连接有稳压管、第四限流元件及三极管基极；

所述三极管基极与三极管发射极之间设置有储电元件。

一种高压SIC器件的过流检测与保护电路的工作方法，包括：

高压SIC器件过流检测电路检测过流状态为低电平，光耦输出为低电平，控制器发出的开关控制信号为高电平，锁存器输出为低电平，开关控制信号锁存器输出信号传输至与门，与门输出为从高电平变为低电平；

高压SIC器件过流检测电路中电容放电，三极管截止，高压SIC器件过流检测电路输出恢复高电平，光耦输出恢复为高电平，控制器发出的开关控制信号为高电平，锁存器输出在当前开关周期保持为低电平，实现了过流信号锁定，与门输出也保持为低电平，SIC器件保持关断状态，确保了在过流时SIC器件有效可靠关断。

一种高压SIC器件过流的检测与保护电路，包括SIC器件及与该SIC器件相连的高压SIC器件过流的检测电路及高压SIC器件过流的保护电路。

所述SIC器件为SIC MOSFET或SIC IGBT。

本实用新型的有益效果：

本实用新型SIC器件过流的检测及保护电路结构清晰，实现容易。不发生过流/短路时SIC器件可以正常开关，但在发生过流/短路时可以通过电容C1充电实现对过流情况的快速检测，使过流信号Fault1变低，同时经过光电隔离和锁存器后对该过流信号进行锁定，开关逻辑信号产生单元能够在当前开关周期内对开关信号进行快速封锁，提高了整个过流/短路保护电路的保护速度，从而实现对SIC器件快速而可靠的保护。

附图说明

图1是本实用新型所述一种新型高压SIC器件过流的检测及保护电路的具体电路图；

图2是本实用新型提供的SIC器件过流保护系统的一种工作时序示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

一种新型高压SIC器件过流的检测及保护电路，它由驱动电路、过流检测电路和开关逻辑信号产生单元等组成。

在本实施例中，所述开关逻辑信号产生单元由光耦OPTO1、锁存器RS1和高速逻辑与门AND1等组成。

在本实施例中所述的过流检测电路，电阻R1的第一端与驱动电路的输出端Bufferout相连，电阻R1的第二端分别与SIC器件M1的栅极和所述电阻R5的第一端相连，电阻R5的第二端与所述M1的源极相连，所述M1接入主电路中；

R1及R5都不包括在过流检测电路内，R1属于驱动电路，R5属于SIC器件自身的附属保护元件，一般来说MOS/IGBT的GS极间都有这个电阻。

二极管D1的阴极与所述M1的漏极相连，所述二极管D1的阳极分别与所述稳压管ZD1的阴极和所述电阻R2的第一端相连，所述电阻R2的第二端分别与所述驱动电路的输出端Buffer out和所述电阻R3的第一端相连，所述电阻R3的第二端与所述二极管D2的阳极相连；所述稳压管ZD1的阳极与所述电阻R4的第一端相连，所述电阻R4的第二端分别与所述电容C1的第一端和所述三极管Q1的基极相连，所述电容C1的第二端与所述三极管Q1的发射极相连并同时接地；所述二极管D2的阴极与所述三极管Q1的集电极相连同时接光耦OPTO1的输入端Fault1。

在本实施例中，SIC器件M1是SIC MOSFET。

在本实施例中的开关逻辑信号产生单元，锁存器RS1的第一输入端与所述光耦OPTO1的输出端Fault2相连，高速逻辑与门AND1的第一输入端与锁存器RS1的输出端Fault3相连。锁存器RS1的第二输入端和所述与门AND1的第二输入端inputPWM是控制器发出的开关控制信号；

光耦OPTO1的输入端Fault1是过流信号，所述光耦OPTO1的输出端Fault2是经过隔离的过流信号，所述锁存器RS1的输出端Fault3是经过锁存器锁定的过流信号。

在本实施例中，驱动电路由隔离辅助电源输出+20V和-5V为其提供正负驱动电压；所述与门AND1输出的Drive signal是SIC MOSFET的开关信号，经过驱动电路产生+20V和-5V两种电平的驱动电压信号，其中+20V电平驱动SIC MOSFET导通、-5V电平驱动SIC MOSFET关断。

在本实施例中，稳压管ZD1是过流保护动作阈值稳压管，稳压管ZD1的齐纳电压决定了过流保护电路的动作阈值，其中，阈值根据所用SIC MOSFET的具体输出特性和安全工作区域设定为10V。

工作原理：

图1为本实施方式的具体电路图，Drive signal经过驱动电路产生+20V、-5V的驱动电压信号，在驱动信号Drive signal为高电平时，Buffer out输出为+20V，通过R1驱动M1导通；Drive signal为低电平时，Buffer out输出为-5V，M1通过R1迅速放电，从而保证M1快速关断。

R2、R3、R4是限流电阻，R1是驱动电阻。

D1、D2、R2、R3、R4、ZD1、C1和Q1构成过流检测电路。其中D1是检测二极管，用于检测过流情况，二极管D2是阻断二极管；稳压管ZD1的齐纳电压决定了保护电路的动作阈值(稳压管ZD1是10V)，过流信号Fault1接至后续开关逻辑信号产生单元。

结合图2：

在0～t1期间，M1未出现过流或短路故障，信号inputPWM和Drive signal的波形相同，M1正常开关，原理解释如下：Drive signal为高电平时，M1导通，此时M1的漏源极间压降小，不会超过安全阈值，二极管D1正向偏置，电流从Buffer out通过R2、D1流入M1，由于R2阻值较大，该电流对M1电流所产生的影响可以忽略。此时稳压管ZD1上的电压不会超过其齐纳电压，没有电流流过ZD1，三极管Q1处于截止状态，Fault1为高电平，光耦输出Fault2为高电平，而inputPWM信号为高电平，锁存器输出Fault3保持为高电平，因此Fault3与inputPWM信号经过与门作用后输出Drive signal为高电平信号，M1正常导通。Drive signal为低电平时，M1关断，M1漏源间电压为主电路电压，二极管D1反向偏置，ZD1正向偏置，三极管Q1依然截止，Fault1为高电平，光耦输出Fault2为高电平，而inputPWM信号为低电平，锁存器输出Fault3置为高电平，因此与门输出Drive signal为低电平信号，M1正常关断。

其中，阻断二极管D2作用：当Drive signal为低电平时，Buffer out为驱动负电压-5V，若没有D2，此时光耦OPTO1原边与Buffer out之间构成回路，即光耦OPTO1原边二极管导通，光耦OPTO1副边输出Fault2为低电平，从而Fault3置低，造成过流误动作。D2可以阻止在Drive signal为低电平时光耦OPTO1原边与Buffer out之间构成回路。

当在t1时刻，M1在导通期间出现过流或短路故障时，M1的漏源间电压升高，若超过稳压管ZD1的齐纳电压10V，二极管D1由正向偏置变为反向偏置，电流由Buffer out流经ZD1和R4给C1充电，同时三极管Q1导通，将Fault1电平拉低，实现过流状态的快速检测。

同时在开关逻辑信号产生单元：Fault1电平拉低，光耦输出Fault2也为低电平，而inputPWM信号为高电平，锁存器输出Fault3置为低电平，与门输出Drive signal从高电平变为低电平，电容C1通过R4、ZD1、R2、R1放电，同时Q1不再导通，Fault1又恢复高电平，光耦输出Fault2恢复为高电平，而inputPWM信号仍为高电平，因此锁存器输出Fault3在当 前开关周期保持为低电平，实现了过流信号锁定，与门输出Drive signal也保持为低电平，M1保持关断状态，确保了在过流时M1有效可靠关断。光耦、锁存器和与门的延迟很小，因而整个检测与保护执行电路延迟小，过流时可以快速而有效地保护碳化硅器件。

当过流保护动作之后，在t2时刻，控制信号inputPWM为低电平，而光耦输出Fault2为高电平，因此锁存器输出Fault3置为高电平，过流信号不再影响控制器发出的控制信号。如果下一个开关周期过流故障排除，电路会恢复到正常工作状态。如果下一个开关周期M1仍然处于过流状态，则电路继续对M1进行保护。

因此，当电路正常工作不出现过流/短路故障时，该过流检测及保护电路可以保证控制器发出的控制驱动信号正常驱动SIC器件；而当出现过流/短路故障时，该电路可以及时检测出过流信号，并在当前开关周期内快速关断SIC器件，从而保护器件不致损坏。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种高压SIC器件过流的检测电路，其特征是，包括与待检测SIC器件相连的漏极过流检测元件，与待检测SIC器件的驱动电路的输出端相连的第一限流元件；

第二限流元件的一端依次连接有第三限流元件、阻断元件及三极管集电极，第二限流元件的一端依次连接有稳压管、第四限流元件及三极管基极；

所述三极管基极与三极管发射极之间设置有储电元件。

2.如权利要求1所述的一种高压SIC器件过流的检测电路，其特征是，所述漏极过流检测元件为高压快恢复二极管，所述第二限流元件、第三限流元件及第四限流元件分别为限流电阻，所述储电元件为无极性电容，阻断元件为阻断二极管。

3.一种高压SIC器件过流的保护电路，其特征是，包括与权利要求1所述的高压SIC器件过流的检测电路相连的开关逻辑信号产生单元，所述开关逻辑信号产生单元通过驱动电路驱动SIC器件的导通及关断。

4.如权利要求3所述的一种高压SIC器件过流的保护电路，其特征是，所述开关逻辑信号产生单元包括与高压SIC器件过流的检测电路输出端相连的光耦，经过光耦隔离后的过流信号及控制器发出的开关控制信号均传输至锁存器进行锁存，经过锁存器锁定的过流信号及控制器发出的开关控制信号传输至与门进行运算，与门的输出信号为SIC器件的开关信号。

5.如权利要求4所述的一种高压SIC器件过流的保护电路，其特征是，所述SIC器件的开关信号经过驱动电路产生两种电平的驱动电压信号，分别用于驱动SIC器件导通及SIC器件关断。

6.如权利要求3或5所述的一种高压SIC器件过流的保护电路，其特征是，所述驱动电路与SIC器件的栅极之间连接有驱动电阻，驱动电阻与SIC器件的源极之间连接有放电电阻；

所述驱动电路由隔离辅助电源输出V+和V-为其提供正负驱动电压。

7.一种高压SIC器件过流的检测与保护电路，其特征是，包括根据权利要求1所述高压SIC器件过流的检测电路及权利要求3所述的高压SIC器件过流的保护电路。