一种基于纯硬件器件过流保护的SiC MOSFET驱动电路

技术领域

本发明涉及保护电路领域，具体涉及一种基于纯硬件器件过流保护的SiC MOSFET驱动电路。

背景技术

SiC MOSFET与传统的Si MOSFET相比，SiC MOSFET导通电阻更小、开关损耗更低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性，可用于传统SiMOSFET无法涉及的高压、高温、高效率及高功率密度的应用场合。

但由于SiC MOSFET比传统的Si MOSFET价格昂贵很多，高性能的同时也带来了高成本，而在实际使用过程中，因为控制不及时、外部干扰等原因造成SiC MOSFET过流短路等故障进而导致SiC MOSFET损坏的事例屡见不鲜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于纯硬件器件过流保护的SiC MOSFET驱动电路，通过在SiC MOSFET的源极串接电阻检测电流,将电流信号转为电压信号，使用LM211比较器与预定值进行比较，将比较信号经过光耦隔离输出后，直接接入SiC MOSFET驱动芯片的使能端，直接在SiC MOSFET驱动芯片侧进行保护，同时使用另一个光耦隔离输出接入主控模块的硬件保护中断引脚，双重保护。设计所需器件少，无需占用太大的PCB板空间，同时可以迅速触发短路保护机制，保护保护SiC MOSFET不被损坏。

一种基于纯硬件器件过流保护的SiC MOSFET驱动电路，包括控制模块、PWM输出缓冲电路、驱动电路以及过流和短路保护电路，所述PWM输出缓冲电路与过流和短路保护电路都与控制模块连接，且PWM输出缓冲电路与过流和短路保护电路的输出都连接驱动电路的输入，所述驱动电路与过流和短路保护电路都与SiC MOSFET连接；

所述PWM输出缓冲电路包括收发器，收发器的B2～B7引脚连接6路PWM信号DPWM1～DPWM6，收发器的使能引脚OE接地，方向控制引脚接地，收发器的输出引脚A2～A7分别连接至驱动电路；

所述驱动电路包括两个IGBT驱动器，IGBT驱动器的1号引脚和4号引脚为信号输入侧电源正极和对应接地端，2号引脚和3号引脚分别为驱动器同向输入和驱动器反向输入，3号引脚为使能引脚，5号引脚和8号引脚分别为隔离电源的地端和正端，6号引脚为有源米勒钳位引脚，接SiC MOSFET的栅极，7号引脚为驱动信号输出；

所述过流和短路保护电路包括功率放大器，功率放大器的正极输入接SiC MOSFET的源极,功率放大器的输出接第一光耦合器U5和第二光耦合器U6，且功率放大器的正极输入端和DC_BUS-端直接连接有采样电阻R9。

优选的，所述控制模块采用型号为TMS320F2812的DSP控制芯片，所述收发器的型号为74LVC4245APW，所述IGBT驱动器的型号为1EDC20I12MH。

优选的，所述收发器的B2～B7引脚连接的6路PWM信号DPWM1～DPWM6都设有下拉电阻，所述下拉电阻的阻值都为2kΩ。

优选的，所述两个IGBT驱动器的输出端分别连接有栅极驱动电阻一R7和栅极驱动电阻二R8，所述栅极驱动电阻一R7和栅极驱动电阻二R8的阻值都为10Ω。

优选的，所述采样电阻R9的阻值为3MΩ。

本发明的优点在于：通过在SiC MOSFET的源极串接电阻检测电流,将电流信号转为电压信号，使用LM211比较器与预定值进行比较，将比较信号经过光耦隔离输出后，直接接入SiC MOSFET驱动芯片的使能端，直接在SiC MOSFET驱动芯片侧进行保护，同时使用另一个光耦隔离输出接入主控模块的硬件保护中断引脚，双重保护。设计所需器件少，无需占用太大的PCB板空间，同时可以迅速触发短路保护机制，保护保护SiC MOSFET不被损坏。

附图说明

图1为本发明装置的电路结构示意图；

图2为本发明装置中PWM输出缓冲电路示意图；

图3为本发明装置中驱动电路示意图；

图4为本发明装置中过流和短路保护电路示意图；

图5为本发明的电路连接原理图；

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图5所示，基于纯硬件器件的SiC MOSFET过流保护电路，主要包括控制模块电路、驱动电路以及过流保护电路。正常工作时，驱动SiC MOSFET器件所需的脉冲信号由控制器发出至八路双电源转换收发器74LVC4245APW，再输出至SiC MOSFET驱动芯片1EDC20I12MH的IN+引脚，当1EDC20I12MH的IN-引脚为低电平时，1EDC20I12MH的信号输出引脚OUT输出与之同相位的波形，进而驱动SiC MOSFET器件，此时电流检测电阻上电流较小，分压小于预定值，LM211输出低电平，通过光耦TLP621得到高电平信号PDPINT，此信号接入控制芯片TMS320F2812的故障引脚PDPINT，PDPINT引脚为低电平有效，故TMS320F2812可以正常输出PWM信号，LM211输出的低电平信号经过另一个光耦TLP621得到一个低电平信号IN_N，连接至1EDC20I12MH的IN-引脚，此时1EDC20I12MH的IN-引脚为低电平，1EDC20I12MH可以正常工作；当SiC MOSFET器件发生过流或短路时，电流检测电阻分压变大，当电阻分压大于预定值时，LM211输出电平发生翻转，PDPINT、IN_N电平也发生翻转，IN_N电平为高电平，1EDC20I12MH被锁定，OUT引脚输出低电平，同时TMS320F2812的故障引脚PDPINT电平变为低电平，TMS320F2812的PWM输出也被锁死，双重保护，使得SiC MOSFET不被损坏。

其中控制模块和PWM输出缓冲电路原理是：控制模块一般是指DSP、FPGA或两者的联合单元，主要用于发送PWM脉冲信号、信号缓存电路以及故障信号回传。本发明选用DSP作为控制模块，DSP输出的6路PWM信号DPWM1～DPWM6分别连接在收发器74LVC4245APW的B2～B7引脚上，PWM信号需要添加下拉电阻，防止上电瞬间PWM信号不稳，导致SiC MOSFET误导通；74LVC4245APW的使能引脚OE接地，方向控制引脚接地，使得信号传输方向为B到A，74LVC4245APW正常工作，其输出引脚A2～A7分别连接至相应的1EDC20I12MH的IN+引脚。电路图如图2所示。

其中驱动电路采用的1EDC20I12MH是Infineon公司设计的一款带钳位的单通道隔离式IGBT栅极驱动器，轨到轨输出时典型峰值电流高达6A，内部集成有源米勒钳位电路，适合在高环境温度和快速开关应用中运行。其周边电路结构简单，器件少，走线布线极为方便。

1EDC20I12MH驱动器输入输出电气隔离，使用双电源供电，1、4号引脚是信号输入侧电源正端和对应地，接入+5V电源；2、3号引脚分别是驱动器同向输入和驱动器反向输入，3号引脚亦可作为1EDC20I12MH的使能引脚，3号引脚输入高电平时，1EDC20I12MH输出锁死，输出低电平，反之1EDC20I12MH可输出与2号引脚同相位的信号；5、6号引脚分别是隔离电源的地和正端，接隔离电源+15V和地，7号引脚是驱动信号输出，通过栅极驱动电阻直接驱动SiC MOSFET器件；8号引脚是有源米勒钳位引脚，接SiC MOSFET的栅极，在关断期间，一旦栅极电压降至以6号引脚为基准的2V以下，米勒钳位功能将其输出连接到6号引脚，以避免连接的SiC MOSFET寄生导通。

查阅驱动芯片的1EDC20I12MH使用手册，栅极驱动电阻选择10Ω，栅极电阻的功率由SiC MOSFET栅极驱动的功率决定，一般来说栅极驱动电阻的总功率应至少是栅极驱动功率的2倍。IGBT栅极驱动功率P＝FUQ，其中F是SiC MOSFET的工作频率，U是驱动输出电压的峰峰值，Q是为栅极电荷，可参考SiC MOSFET模块参数手册。本发明中，使用的SiC MOSFET是Infineon公司的IMZ120R060M1H，驱动芯片使用Infineon公司的1EDC20I12MH，启动电压15V，关断电压0V，所以U＝15V，工作频率为6.4KHz，Q＝31nC，可计算出P＝3mW，选用使用10Ω/0.25W电阻。电路如图3所示。

关于保护电路，本发明预定的保护电流阈值42.5A(30A交流电路的峰值)，选用3mR的采样电阻，计算可得电压阈值为0.127V，选用5V电源经38.3k、1k电阻分压得到。

SiC MOSFET器件正常工作时，采样电阻R9两端分压较小，V2电压小于V3电压，OC_Fault输出低电平，经过U5、U6光耦，IN_N、PDPINT分别输出低电平和高电平，此时驱动芯片1EDC20I12MH与TMS320F2812都正常工作，PWM输出正常，SiC MOSFET器件亦正常导通关断；当发生过流、短路等异常情况时，采样电阻R9两端分压变大，V2电压大于V3电压，OC_Fault输出高电平，IN_N、PDPINT电平发生翻转，IN_N信号与1EDC20I12MH的IN-引脚相连，IN-引脚电平为高时，IN+引脚输入任意电平，1EDC20I12MH都输出低电平，后级SiC MOSFET器件关断，同时PDPINT电平变为低电平，TMS320F2812的所有事件管理器输出引脚皆被设置为高阻态，因为PWM信号均接有下拉电阻，故PWM信号都为低电平，双重保护，确保发生过流短路故障时，SiC MOSFET器件及时有效关断。电路图如图4所示。

具体实施方式及原理：

正常工作时，驱动SiC MOSFET器件所需的脉冲信号由控制器发出至八路双电源转换收发器74LVC4245APW，再输出至SiC MOSFET驱动芯片1EDC20I12MH的IN+引脚，当1EDC20I12MH的IN-引脚为低电平时，1EDC20I12MH的信号输出引脚OUT输出与之同相位的波形，进而驱动SiC MOSFET器件，此时电流检测电阻上电流较小，分压小于预定值，LM211输出低电平，通过光耦TLP621得到高电平信号PDPINT，此信号接入控制芯片TMS320F2812的故障引脚PDPINT，PDPINT引脚为低电平有效，故TMS320F2812可以正常输出PWM信号，LM211输出的低电平信号经过另一个光耦TLP621得到一个低电平信号IN_N，连接至1EDC20I12MH的IN-引脚，此时1EDC20I12MH的IN-引脚为低电平，1EDC20I12MH可以正常工作；当SiC MOSFET器件发生过流或短路时，电流检测电阻分压变大，当电阻分压大于预定值时，LM211输出电平发生翻转，PDPINT、IN_N电平也发生翻转，IN_N电平为高电平，1EDC20I12MH被锁定，OUT引脚输出低电平，同时TMS320F2812的故障引脚PDPINT电平变为低电平，TMS320F2812的PWM输出也被锁死，双重保护，使得SiC MOSFET不被损坏。

基于上述，本发明通过在SiC MOSFET的源极串接电阻检测电流,将电流信号转为电压信号，使用LM211比较器与预定值进行比较，将比较信号经过光耦隔离输出后，直接接入SiC MOSFET驱动芯片的使能端，直接在SiC MOSFET驱动芯片侧进行保护，同时使用另一个光耦隔离输出接入主控模块的硬件保护中断引脚，双重保护。设计所需器件少，无需占用太大的PCB板空间，同时可以迅速触发短路保护机制，保护保护SiC MOSFET不被损坏。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。