SiC MOSFET的短路检测电路及方法

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种SiC MOSFET的短路检测电路及方法。

背景技术

电力电子功率变换器作为电能利用的重要装置，在生产和生活中发挥着重要作用。电力电子功率变换器的核心是功率半导体器件，很大程度上决定了电力电子功率变换器的性能。目前，大部分功率半导体器件是Si半导体材料，其特性已接近理论极限，成为电力电子功率变换器进一步发展的瓶颈。与Si功率器件相比，SiC功率器件具有更加优异特性：SiC功率器件具有更高的开关速度，能够在更高的结温下工作，可以同时实现高频、高电压和大电流。这些特性能够显著提升半导体功率变换器的性能，获得更高的电能转换效率，实现更高的功率密度，降低系统成本等。

在电力电子变换器中，微控制器发出的控制信号属于弱点信号，不能直接驱动功率半导体器件，需要在微控制器与功率半导体器件之间设置驱动电路。驱动电路主要是对微控制器发出的弱电控制信号整形、功率放大后实现对功率半导体器件的通断控制；当功率半导体器件及其所在电路中出现故障时，也要由驱动电路将故障信息传回微控制器。故驱动电路是弱电控制信号与强电功率回路之间交互的桥梁，驱动电路的可靠性直接影响电力电子变换器的整体可靠性。

SiC MOSFET主要应用在高压场合，对可靠性要求很高，如果所在电路发生短路会造成较为严重后果，有必要进行短路检测和保护。目前采用退饱和检测进行短路保护时还存在许多问题，例如若消隐时间较短时，容易误动作；若消隐时间过长时，又难以在指定的最大短路时间内安全地关闭。消隐时间由消隐电容值确定，但是消隐电容值的选择比较困难；而确定消隐电容值后，还受到温度影响，同时退饱和检测电路中的高压二极管属于强干扰源。

发明内容

本申请要解决的技术问题是提供一种SiC MOSFET的短路检测电路及方法，能够对SiC MOSFET所在电路进行短路监测，克服现有的退饱和检测存在的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种SiC MOSFET的短路检测电路，包括：输出侧逻辑控制模块，用于接收所述SiC MOSFET的驱动脉冲信号并输出，还用于输出与所述驱动脉冲信号同步的控制信号；输出级功率放大电路，与所述输出侧逻辑控制模块电连接，并被配置为对所述驱动脉冲信号进行放大，并输出至所述SiC MOSFET；短路检测模块，与所述输出侧逻辑控制模块以及所述SiC MOSFET的漏极电连接，并被配置为接收所述控制信号并获得参考电压信号，同时获取所述SiC MOSFET的漏源电压信号，且基于所述漏源电压信号和所述参考电压信号向所述输出侧逻辑控制模块输出检测结果信号。

在本申请的一些实施例中，所述短路检测模块被配置为比较所述漏源电压信号与所述参考电压信号，当所述漏源电压信号大于所述参考电压信号时，运放信号翻转，所述短路检测模块向所述输出侧逻辑控制模块输出短路信号。

在本申请的一些实施例中，所述短路检测模块还被配置为比较所述漏源电压信号与所述参考电压信号，当所述漏源电压信号小于或等于所述参考电压信号时，运放信号不翻转。

在本申请的一些实施例中，所述短路检测模块包括：比较器，包括第一输入端、第二输入端及输出端，其中所述输出端电连接所述输出侧逻辑控制模块；漏源电压信号源电路，电连接所述第一输入端；参考电压信号源电路，电连接所述第二输入端。

在本申请的一些实施例中，所述漏源电压信号源电路包括：第五电阻，所述第五电阻的第一端电连接所述SiC MOSFET的漏极，所述第五电阻两端还电连接有第二电容；第六电阻，所述第六电阻的第一端电连接所述第五电阻的第二端，所述第六电阻的两端还电连接有第三电容；第七电阻，所述第七电阻的第一端电连接所述第六电阻的第二端，第二端电连接所述第一输入端，且所述第七电阻的两端还电连接有第四电容；第八电阻，所述第八电阻的第一端电连接所述第一输入端，且所述第八电阻的第二端接输出侧地，所述第八电阻两端还电连接有第五电容。

在本申请的一些实施例中，所述参考电压信号源电路包括：第三MOS管，所述第三MOS管的栅极电连接所述输出侧逻辑控制模块，源极接输出侧地，且所述第三MOS管受控于所述控制信号；第一稳压二极管，所述第一稳压二极管的阳极电连接所述第三MOS管的漏极；第九电阻，所述第九电阻的第一端电连接所述第一稳压二极管的阴极，第二端电连接所述第二输入端；第六电容，所述第六电容的第一端电连接所述第二输入端，第二端接输出侧地；第十电阻，所述第十电阻的第一端电连接直流正压，第二端电连接所述第二输入端。

在本申请的一些实施例中，所述短路检测电路还包括：辅助检测模块，位于所述SiC MOSFET的开尔文引脚和源极引脚之间，用于检测所述SiCMOSFET的电流变化率。

在本申请的一些实施例中，所述辅助检测模块包括：第二二极管，所述第二二极管的阳极接输出侧地；第十一电阻，所述第十一电阻的第一端电连接所述第二二极管的阴极，第二端电连接所述SiC MOSFET的源极；第十二电阻，所述第十二电阻的第一端电连接所述第二二极管的阴极；第七电容，所述第七电容的第一端电连接所述第十二电阻的第二端，第二端电连接所述SiC MOSFET的源极；变压器，所述变压器的原边电连接所述第七电容的两端，副边一端电连接所述输出侧逻辑控制模块，且另一端接输出侧地。

在本申请的一些实施例中，所述输出级功率放大电路包括PMOS管和NMOS管构成的推挽式驱动电路，或者包括NPN和PNP三极管构成的推挽式驱动电路。

在本申请的一些实施例中，所述输出级功率放大电路包括：放大器，所述放大器的输入端电连接所述输出侧逻辑控制模块，所述放大器还电连接直流正压、直流负压以及输出侧地；PMOS管，所述PMOS管的源极电连接所述直流电压，栅极电连接所述放大器的输出端，漏极通过第三电阻与所述SiC MOSFET的栅极电连接；NMOS管，所述NMOS管的源极电连接所述直流负压，栅极电连接所述放大器的输出端，漏极通过第一电阻与所述SiC MOSFET的栅极电连接。

在本申请的一些实施例中，所述短路检测电路还包括输入侧逻辑控制模块，用于接收所述SiC MOSFET的驱动脉冲信号，并输出至所述输出侧逻辑控制模块，所述输出侧逻辑控制模块还将检测结果信号反馈至所述输入侧逻辑控制模块。

在本申请的一些实施例中，所述输入侧逻辑控制模块和所述输出侧逻辑控制模块之间还电连接有第二编码解码模块，所述第二编码解码模块包括：反馈编码模块，与所述输出侧逻辑控制模块电连接；反馈解码模块，与所述反馈编码模块之间信号隔离，且与所述输入侧逻辑控制模块电连接。

本申请还提供一种SiC MOSFET的短路检测方法，包括：输出侧逻辑控制模块接收所述SiC MOSFET的驱动脉冲信号并输出，还用于输出与所述驱动脉冲信号同步的控制信号；输出级功率放大电路对所述驱动脉冲信号进行放大，并输出至所述SiC MOSFET；短路检测模块接收所述控制信号并获得参考电压信号，同时获取所述SiC MOSFET的漏源电压信号，且基于所述漏源电压信号和所述参考电压信号向所述输出侧逻辑控制模块输出检测结果信号。

在本申请的一些实施例中，基于所述漏源电压信号和所述参考电压信号向所述输出侧逻辑控制模块输出检测结果信号的方法包括：比较所述漏源电压信号与所述参考电压信号，当所述漏源电压信号大于所述参考电压信号时，运放信号翻转，所述短路检测模块向所述输出侧逻辑控制模块输出短路信号。

在本申请的一些实施例中，当所述漏源电压信号小于所述参考电压信号时，运放信号不翻转。

本申请技术方案的短路检测电路通过设置短路检测模块，且短路检测模块的控制信号与驱动脉冲信号同步，使得参考电压信号呈现可调特性，实现了电路的动态检测，同时可以解决目前短路检测电路参数难设置及干扰其他器件的问题。

附图说明

以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本申请的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的发明意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：

图1为本申请实施例的一种SiC MOSFET的短路检测电路的结构示意图；

图2为本申请实施例的另一种SiC MOSFET的短路检测电路的结构示意图；

图3为SiC MOSFET从关断到导通以及所在电路发生短路时，源漏电压信号和参考电压信号的变化曲线；

图4为本申请实施例的又一种SiC MOSFET的短路检测电路的结构示意图；

图5为本申请实施例的输出级功率放大电路的结构示意图；

图6为本申请实施例的再一种SiC MOSFET的短路检测电路的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

应当理解，本文使用的“模块”、“电路”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。

本申请中使用的术语仅用于描述特定示例实施例的目的，而不是限制性的。比如，除非上下文另有明确说明，这里所使用的，单数形式“一”，“一个”和“该”也可以包括复数形式。当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包含”和/或“含有”意思是指所关联的整数，步骤、操作、元素和/或组件存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或组的存在或在该系统/方法中可以添加其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或组。在本说明书中描述不同组件发生关联时，可以是直接的关系也可以是间接的关系。比如，“A和B连接”可以是A和B直接连接，也可以是A和B通过其他组件间接发生连接。

考虑到以下描述，本说明书公开的这些特征和其他特征、以及结构的相关元件的操作和功能、以及部件的组合和制造的经济性可以得到明显提高。参考附图，所有这些形成本说明书公开的一部分。然而，应该清楚地理解，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本说明书公开的范围。本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本申请不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。

目前在SiC MOSFET电路设计中不设短路保护，也有部分设计在应用中设置短路保护，即沿用了Si IGBT类器件的保护原理和设计，设置静态退饱和检测保护。在正常工况下，IGBT器件导通时工作在饱和区，关断时工作在截止区，开通和关断过程需要穿越放大区。当IGBT发生短路后，其工作点将由饱和区进入到放大区，即高电压大电流的区域，称其为退饱和。通过检测IGBT的集电极与发射极之间的电压V

检测时可以通过消隐电容设置消隐时间，使得SiC MOSFET从接收到开通信号到达饱和前不发送错误信号。确定消隐电容大小后，必须了解内部参考电压的公差(最大值)和恒流源(最小值)。另外还要考虑到被保护的SiC MOSFET必须在其指定的最大短路时间内安全地关闭，退饱和检测的识别、内部处理和SiC MOSFET的关断必须在最大短路时间内完成，因此选择消隐电容的大小比较关键，而且消隐电容的大小选择较难。

另外，V

基于此，本申请提供了一种SiC MOSFET的短路检测电路，可以对SiC MOSFET所在电路进行动态短路监测，解决了目前短路检测时参数难设置及干扰其他器件的问题。

参考图1，本申请实施例的SiC MOSFET的短路检测电路包括输出侧逻辑控制模块、输出级功率放大电路以及短路检测模块，所述输出侧逻辑控制模块用于接收所述SiCMOSFET的驱动脉冲信号并输出，还用于输出与所述驱动脉冲信号同步的控制信号，所述控制信号用于控制所述短路检测模块。所述输出级功率放大电路与所述输出侧逻辑控制模块电连接，并被配置为对所述驱动脉冲信号进行放大，并输出至所述SiCMOSFET。所述短路检测模块与所述输出侧逻辑控制模块以及所述SiC MOSFET的漏极D电连接，并被配置为接收所述控制信号并获得参考电压信号，同时获取所述SiC MOSFET的漏源电压信号，且基于所述漏源电压信号和所述参考电压信号向所述输出侧逻辑控制模块输出检测结果信号。

具体地，所述短路检测模块可以被配置为比较所述漏源电压信号与所述参考电压信号，当所述漏源电压信号大于所述参考电压信号时，运放信号翻转，所述短路检测模块向所述输出侧逻辑控制模块输出短路信号。而当所述漏源电压信号小于或等于所述参考电压信号时，运放信号不翻转。

参考图2，所述短路检测模块100可以包括比较器、漏源电压信号源电路及参考电压信号源电路。所述比较器包括第一输入端、第二输入端及输出端，其中所述第一输入端电连接所述漏源电压信号源电路，用于输入所述SiC MOSFET的源漏电压信号V

所述漏源电压信号源电路包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7及第八电阻R8。其中所述第五电阻R5的第一端电连接所述SiC MOSFET的漏极D，所述第五电阻R5的第二端电连接所述第六电阻R6的第一端，所述第五电阻R5两端还电连接有第二电容C2。所述第六电阻R6的第二端电连接所述第七电阻R7的第一端，所述第六电阻R6的两端还电连接有第三电容C3。所述第七电阻R7的第二端电连接所述比较器的第一输入端，且所述第七电阻R7的两端还电连接有第四电容C4。所述第八电阻R8的第一端电连接所述比较器的第一输入端，且所述第八电阻R8的第二端接输出侧地GND，所述第八电阻R8两端还电连接有第五电容C5。

所述参考电压信号源电路可以包括第三MOS管M3、第一稳压二极管T1、第九电阻R9、第六电容C6及第十电阻R10。所述第三MOS管M3的栅极电连接所述输出侧逻辑控制模块，所述第三MOS管M3的源极接输出侧地GND，所述第三MOS管M3的漏极电连接所述第一稳压二极管T1的阳极，所述第三MOS管的通断状态受控于所述输出侧逻辑控制模块输出的所述控制信号。所述第九电阻R9的第一端电连接所述第一稳压二极管T1的阴极，所述第九电阻R9的第二端电连接所述比较器的第二输入端。所述第六电容C6的第一端电连接所述比较器的第二输入端，所述第六电容C6的第二端接输出侧地GND。所述第十电阻R10的第一端电连接直流正压VCC，所述第十电阻R10的第二端电连接所述比较器的第二输入端。

本申请实施例采用多只电阻串联分压来获取漏源电压信号V

图3为SiC MOSFET从关断到导通以及所在电路发生短路时，源漏电压信号V

在其他实施例中，也可以在图2所示的短路检测模块100的基础上，进行合理的电阻串并联调整，以满足实际使用中对阻值大小的需求。例如，在漏源电压信号源电路上串联或并联至少一个电阻，或者在参考电压信号源电路上串联或并联至少一个电阻。也就是说，只要是采用了本申请实施例的动态短路检测原理，即使在图2的基础上进行了简单的电路元件的调整，也均在本申请实施例的示例范围内。

参考图4，所述短路检测电路还可以包括辅助检测模块，所述辅助检测模块位于所述SiC MOSFET的开尔文引脚K和源极引脚之间，用于检测所述SiC MOSFET的电流变化率(di/dt)。现有的驱动电路均不检测SiC MOSFET的电流变化率，而SiC MOSFET在正常运行、短路故障、过流故障等情况下，均有较大的di/dt，因此本申请实施例采用开尔文引脚封装形式的器件，从开尔文引脚与源极引脚之间的寄生电抗中测得di/dt参数，可以用作短路或过流故障的辅助判据。

在一些实施例中，所述辅助检测模块200包括第二二极管Z2、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第七电容C7及变压器，所述第二二极管Z2的阳极及所述开尔文引脚均接输出侧地GND，所述第二二极管Z2的阴极电连接所述第十一电阻R11的第一端，所述第十一电阻R11的第二端电连接所述SiC MOSFET的源极S。所述第十二电阻R12的第一端电连接所述第二二极管Z2的阴极，所述第十二电阻R12的第二端电连接所述第七电容C7的第一端，所述第七电容C7的第二端电连接所述SiCMOSFET的源极S。所述变压器的原边电连接所述第七电容C7的两端，所述变压器的副边一端电连接所述输出侧逻辑控制模块，且另一端接输出侧地GND。

所述输出级功率放大电路可以是采用功率运放或分立元件搭建的图腾柱结构，用于放大驱动信号功率。作为示例，所述输出级功率放大电路可以是包括PMOS管和NMOS管构成的推挽式驱动电路，或者是包括NPN和PNP三极管构成的推挽式驱动电路。

参考图5，本申请实施例的输出级功率放大电路300例如为包括PMOS管和NMOS管构成的推挽式驱动电路。具体地，所述输出级功率放大电路300可以包括放大器、PMOS管P、NMOS管N以及作为输出电阻的第三电阻R3，还可以包括关断电阻的R1。其中所述放大器的输入端电连接所述输出侧逻辑控制模块，所述放大器还电连接直流正压VCC、直流负压VEE以及输出侧地GND。所述PMOS管P的源极电连接所述直流电压VCC，所述PMOS管P的栅极电连接所述放大器的输出端，所述PMOS管P的漏极通过所述第三电阻R3与所述SiC MOSFET的栅极电连接。所述NMOS管的源极电连接所述直流负压VEE，所述NMOS管的栅极电连接所述放大器的输出端，所述NMOS管通过第一电阻R1与所述SiC MOSFET的栅极电连接。

所述输出侧逻辑控制模块的电路结构只要能够接收所述SiCMOSFET的驱动脉冲信号并能输出给输出级功率放大电路，以及可以向短路检测模块输出与所述驱动脉冲信号同步的控制信号即可，因此本申请实施例对输出侧逻辑控制模块的具体电路结构不作限定，能够实现上述功能的任意一种电路结构均可以用于本申请实施例的输出侧逻辑控制模块。

参考图6，在一些实施例中，所述短路检测电路还包括输入侧逻辑控制模块，用于接收所述SiC MOSFET的驱动脉冲信号，并输出至所述输出侧逻辑控制模块，所述输出侧逻辑控制模块还将检测结果信号反馈至所述输入侧逻辑控制模块。所述输入侧逻辑控制模块的具体结构不作限制，能够实现上述功能的任意一种电路结构均可。

所述输入侧逻辑控制模块和所述输出侧逻辑控制模块之间还可以电连接有第二编码解码模块。所述第二编码解码模块包括：反馈编码模块，与所述输出侧逻辑控制模块电连接；反馈解码模块，与所述反馈编码模块之间信号隔离，且与所述输入侧逻辑控制模块电连接。

本申请实施例还提供一种SiC MOSFET的短路检测方法，可以通过上述的短路检测电路实现，也可以采用其他变换的电路实现。所述短路检测方法包括：输出侧逻辑控制模块接收所述SiC MOSFET的驱动脉冲信号并输出，还用于输出与所述驱动脉冲信号同步的控制信号；输出级功率放大电路对所述驱动脉冲信号进行放大，并输出至所述SiCMOSFET；短路检测模块接收所述控制信号并获得参考电压信号，同时获取所述SiC MOSFET的漏源电压信号，且基于所述漏源电压信号和所述参考电压信号向所述输出侧逻辑控制模块输出检测结果信号。

在一些实施例中，基于所述漏源电压信号和所述参考电压信号向所述输出侧逻辑控制模块输出检测结果信号的方法包括：比较所述漏源电压信号与所述参考电压信号，当所述漏源电压信号大于所述参考电压信号时，运放信号翻转，所述短路检测模块向所述输出侧逻辑控制模块输出短路信号。当所述漏源电压信号小于所述参考电压信号时，运放信号不翻转。

综上所述，在阅读本申请内容之后，本领域技术人员可以明白，前述申请内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改都在本申请的示例性实施例的精神和范围内。

还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本申请的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标记符在整个说明书中表示相同的元件。