基于寄生电感电流检测方法及其应用
【专利摘要】本发明提出的基于寄生电感电流检测方法及其应用，通过检测开关管源极引脚到功率地之间连线的寄生电感两端的电压信号判断是否过流，通过逻辑控制电路发送过流关断指令，在发生过流情况的同时，通过栅极电压钳位电路限制开关管的栅源极电压以保护开关管，同时集合了软关断功能，减缓过流关断的速度，降低关断瞬间的电压尖峰，在实现SiC器件短路保护的快速性的同时，减少了EMI问题。
【专利说明】
基于寄生电感电流检测方法及其应用
技术领域
[0001] 本发明提出一种适用于SiC器件的新型过流保护电路，涉及到基于寄生电感电流 检测并集合过流软关断功能的快速检测保护电路，属电力电子设备领域技术。
【背景技术】
[0002] 近年来，SiC器件以其导通电阻低、开关速度快、耐高温高压等优势成为提高功率 变换器效率和功率密度的理想器件。然而，在实际的应用中缺少快速、可靠的过流保护电 路。
[0003] 与Si器件相比，SiC器件的芯片面积更小，电流密度更高，短路承受能力较低。对于 封装为T0-247的SiC M0SFET，在母线电压为700V、驱动正压为+18V的情况下，短路承受时间 仅在8~10ys之间。且由于SiC M0SFET的沟道迀移率呈正温度系数，发生过流时，SiC M0SFET结温快速上升，沟道迀移率增大，漏源极流过的电流更大，加速了器件的热击穿。因 此，为了使SiC M0SFET工作在安全区内，过流保护电路的反应速度需要达到更高的要求。
[0004] 除了可能导致热击穿外，过流也会影响SiC器件的可靠性。为了实现快速开通，SiC M0SFET的驱动正压通常在+20V以上，而驱动正压越高导致短路故障时短路电流越大，短路 承受时间越短;且驱动正压越高使得栅极电场强度增大，影响栅极氧化层的可靠性。
[0005] 由于SiC器件的结电容较小，开关速度较高，开通和关断瞬间的di/dt和dv/dt更 高，SiC器件的跨导呈正温度系数，开通和关断瞬间的di/dt和dv/dt也会随着结温的升高继 续增大，过流保护电路时开关管结温迅速升高，如果此时快速关断开关管，则关断瞬间的 dv/dt和di/dt会更高，使得EMI问题更加严重，所以过流保护电路的反应速度与EMI之间需 要折中考虑。
[0006] -种已知的SiC器件的过流保护电路是由芯片IR2127组成的固态断路器电路。利 用过载时FET上的电压显著增加的原理检测过流现象，但这种方法在短路瞬间由于芯片内 部的逻辑延时，限制了其过流保护的反应速度。另一种已知的SiC器件的过流保护电路是欠 饱和检测电路，利用过流时SiC器件退出饱和区的特性触发过流保护电路，但这种方法不适 用于饱和区并不明显的SiC M0SFET，且这种方法在高开关频率下抗噪性较差，易发生误触 发现象。
[0007] 为了充分利用SiC的开关特性，在实现SiC器件短路保护的快速性的同时，兼顾EMI 的问题，实现软关断以降低关断瞬间高di/dt引起的电压尖峰，降低故障关断时开关管两端 的电压应力，本发明提出了一种集合软关断功能的基于寄生电感电流检测方法的过流保护 电路。
【发明内容】
[0008] 针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于寄生电感电流检测的过流保护电 路，利用开关管漏极引脚与功率地之间的引线上存在的寄生电感检测漏极电流，并在检测 到过流时实现软关断功能，实现对开关管的保护。
[0009] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0010] 基于寄生电感电流检测方法，该方法通过检测SiC开关管漏极引脚到功率地之间 连线的寄生电感两端的电压信号来计算漏极电流的大小，判断是否过流。
[0011] 该方法基于SiC开关管漏极电流检测电路，具体为:所述开关管&源极引脚为S，源 极引脚S到功率地之间的寄生电感L s(e3Xt);源极引脚到功率地之间连线的寄生电感即漏感电 压检测点为K，所述检测点K与源极引脚S间的引线寄生电感为L K;所述开关管&源极内部寄 生电感为Ls(int);所述开关管&栅极寄生电阻为心，栅极寄生电感为U，所述开关管&漏极内 部寄生电感为L D(int);流过栅源极回路的电流为ic，漏极电流为iD。
[0012] 基于寄生电感电流检测方法的SiC M0SFET过流保护电路，该电路包括依次连接的 过流检测电路、逻辑控制电路、栅极电压钳位电路和软关断电路，所述过流保护电路包括检 测开关管，所述检测开关管的源极接功率地，栅极接入栅极电压钳位电路和软关断电路;将 过流信号发送至逻辑控制电路产生过流关断指令，通过栅极电压钳位电路限制开关管的栅 源极电压以保护开关管，同时触发软关断电路，减缓故障过流关断的速度。
[0013] 所述逻辑控制电路包括检测电容Cd和充电电阻Rd，所述充电电阻Rd-端接功率地， 另一端连接检测电容Cd的一端以及逻辑控制电路的输入端;所述检测电容Cd另一端接检测 开关管&的源极。
[0014] 所述逻辑控制电路包括迟滞比较器、与门电路和D触发器;所述迟滞比较器的输入 端为逻辑控制电路的输入端，连接至检测电路，其输出端连接至与门电路的输入端以及D触 发器的清零端;所述与门电路的另一个输入为PWM输入信号￥?，其输出端连接至控制D触发 器的时钟信号CLK;所述D触发器的输出端连接至栅极电压钳位电路和软关断电路。
[0015] 所述栅极电压钳位电路包括第三开关管M3、稳压二极管Di和放电电容C1;所述第三 开关管M3由逻辑控制电路中D触发器的输出信号控制，其源极连接至控制地V CND，漏极连接 放电电容Cl;所述放电电容&并联稳压二极管0:，其另一端连接检测开关管的栅极。
[0016] 所述软关断电路包括第二开关管M2、缓冲电容(：2和缓冲电阻R4、软关断电阻R3、上 拉电阻R!、第一开关管％、第四开关管M 4、第五开关管M5、驱动电阻办以及逻辑门；其中，所述 驱动电阻R2为正常开关时的驱动电阻，驱动电阻R 2-端连接检测开关管的栅极软关断电阻 R3的一端，另一端连接第四开关管M4、第五开关管此的漏极;所述软关断电阻R 3的另一端连 接第二开关管跑的漏极;所述第二开关管此的源极接地，栅极连接缓冲电阻R4的一端以及缓 冲电容&的一端;所述缓冲电阻R 4的另一端连接逻辑控制电路的输出端，所述缓冲电容&的 另一端连接第三开关管M3的源极以及第一开关管％的源极和控制地V GND;所述第一开关管 Mi的漏极连接与非门、与门的输入端以及上拉电阻仏的一端;分别为驱动正压和负 压，分别连接第四开关管M4、第五开关管此的源极;第四开关管M 4、第五开关管M5的栅极分别 连接至与非门的输出端、与门的输出端;VIN为PWM输入信号，连接至非门、与门的输入端控制 开关管正常开通和关断。
[0017] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0018] 本发明提出一种基于寄生电感电流检测方法的新型过流保护电路，可应用于SiC 器件的保护电路中，通过简单易行的检测和控制方法，能以较快的反应速度检测到故障电 流，并通过软关断电路以较慢的速度关断，减小关断瞬间的漏极电流上升率，避免由于过流 时带来的高漏极电流上升率在寄生电感上产生很大的感应电压，减小SiC器件所承受的电 压尖峰，保护Sic器件的安全。
【附图说明】
[0019] 以下将结合附图对本发明作进一步说明：
[0020] 图1是本发明的基于寄生电感电流检测方法的漏极电流检测电路示意图；
[0021] 图2是本发明所提出的基于寄生电感电流检测方法的SiC M0SFET过流保护电路 图；
[0022] 图3是本发明的过流故障发生时保护电路的波形图。
【具体实施方式】
[0023] 本发明提供基于寄生电感电流检测方法及其应用，为使本发明的目的，技术方案 及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处 所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024] 如图1所示，本发明提供的基于寄生电感电流检测方法，该方法通过检测S i C开关 管源极引脚到功率地之间连线的寄生电感两端的电压信号来计算漏极电流的大小，判断是 否过流。该方法基于SiC开关管漏极电流检测电路，具体为:所述开关管&源极引脚为S，源 极引脚S到功率地之间的寄生电感L s(e3Xt);漏极电压检测点为K，所述检测点K与源极引脚S间 的引线寄生电感为LK;所述开关管&源极内部寄生电感为Ls( int);所述开关管&栅极寄生电 阻为心，栅极寄生电感为U，所述开关管&漏极内部寄生电感为L D(int);流过栅源极回路的电 流为ic，漏极电流为iD。
[0025] 图1为SiC M0SFET开关管&的寄生电感电流检测方法，即通过检测开关管&源极引 脚S到功率地GND之间的寄生电感Ls( ext)两端的电压，即可检测漏极电流的大小。其中，开关 管Qi源极引脚为S，Ls(e3Xt)为其到功率地GND之间的寄生电感，其中K为漏感电压检测点，L K为K 和S之间可能产生的引线寄生电感，Ls(int)为开关管&源极内部寄生电感，h为栅极寄生电 阻，U为栅极寄生电感，L D(int)为开关管漏极内部寄生电感。iG为流过栅源极回路的电流，iD 为漏极电流。
[0026] S和功率地GND之间的电压可以表示为：
[0028]其中，LK为源极检测点K和源极引脚S之间引起的寄生电感，由于LK与源极引线寄生 电感Ls(ext)相比小得多，所以可以忽略不计，即：
[0030]贝ljLs(ext)可以通过发生短路时示波器所记录的漏极电流上升率diD/dt和VKS和计算 得出，即：
[0032]本发明提供的基于寄生电感电流检测方法的SiC M0SFET过流保护电路，该电路包 括依次连接的过流检测电路、逻辑控制电路、栅极电压钳位电路和软关断电路，所述过流保 护电路包括检测开关管，所述检测开关管的源极接功率地，栅极接入栅极电压钳位电路和 软关断电路;将过流信号发送至逻辑控制电路产生过流关断指令，通过栅极电压钳位电路 限制开关管的栅源极电压以保护开关管，同时触发软关断电路，减缓故障过流关断的速度。
[0033] 所述逻辑控制电路包括检测电容Cd和充电电阻Rd，所述充电电阻Rd-端接功率地， 另一端连接检测电容Cd的一端以及逻辑控制电路的输入端;所述检测电容Cd另一端接检测 开关管&的源极。
[0034] 所述逻辑控制电路包括迟滞比较器、与门电路和D触发器;所述迟滞比较器的输入 端为逻辑控制电路的输入端，连接至检测电路，其输出端连接至与门电路的输入端以及D触 发器的清零端;所述与门电路的另一个输入为PWM输入信号￥?，其输出端连接至控制D触发 器的时钟信号CLK;所述D触发器的输出端连接至栅极电压钳位电路和软关断电路。
[0035]所述栅极电压钳位电路包括第三开关管M3、稳压二极管Di和放电电容C1;所述第三 开关管M3由逻辑控制电路中D触发器的输出信号控制，其源极连接至软关断电路，漏极连接 放电电容Ci;所述放电电容&并联稳压二极管0:，其另一端连接检测开关管的栅极。
[0036]所述软关断电路包括第二开关管M2、缓冲电容(：2和缓冲电阻R4、软关断电阻R 3、上 拉电阻R!、第一开关管施、第四开关管M4、第五开关管M5驱动电阻此以及逻辑门；其中，所述驱 动电阻R 2为正常开关时的驱动电阻，驱动电阻R2-端连接检测开关管的栅极软关断电阻R3 的一端，另一端连接第四开关管M4、第五开关管此的漏极;所述软关断电阻R3的另一端连接 第二开关管此的漏极;所述第二开关管跑的源极接控制地V GND，栅极连接缓冲电阻R4的一端 以及缓冲电容C2-端;所述缓冲电阻R 4的另一端连接逻辑控制电路的输出端，所述缓冲电容 C2的另一端连接第三开关管M3的源极以及第一开关管施的源极和控制地V GND;所述第一开关 管％的漏极连接与非门、与门的输入端以及上拉电阻仏的一端;分别为驱动正压和 负压，分别连接第四开关管M 4、第五开关管此的源极;第四开关管M4、第五开关管施的栅极分 别连接至与非门的输出端、与门的输出端;V IN为PWM输入信号，连接至非门、与门的输入端控 制开关管正常开通和关断。
[0037]图2为本发明所提出的以SiC M0SFET为例的过流保护电路示意图，开关管&的过 流保护电路由四个部分构成，即过流检测电路、逻辑控制电路、栅极电压钳位电路和软关断 电路。其中检测电路由检测电容Cd和充电电阻Rd组成，逻辑控制电路包括迟滞比较器、与门 电路和D触发器，迟滞比较器的输出送给与门的输入和D触发器的清零端，与门的另一个输 入为PWM输入信号Vin，与门的输出控制D触发器的时钟信号CLK。栅极电压钳位电路包括开关 管M3、稳压二极管Di和放电电容Ci，开关管M3由逻辑控制电路中D触发器的输出信号控制。软 关断电路由开关管M 2、缓冲电容(：2和缓冲电阻R4、软关断电阻R3和开关管施构成，办为正常开 关时的驱动电阻，V cc和Vee分别为驱动的正压和负压，办为驱动电路上拉电阻，VIN为PWM输入 信号，控制开关管正常开通和关断。
[0038] 过流检测电路由检测电容Cd和充电电阻Rd组成，检测电容Cd上的电压可以表示为：
[0040] 则漏极电流iD可以通过电容Cd上的电压V。检测计算而得。若开通时漏极电流iD出 现过流或短路故障，即在t3时刻电容Cd上的电压V。超过逻辑控制电路中迟滞比较器的上限 值，则迟滞比较器的输出跳变为高电平，则与门的输出跳变为高电平，与门的输出给D触发 器的时钟引脚，在时钟信号上升沿的触发下，D触发器的状态输出Q跳变为高电平，即逻辑控 制电路发出过流或短路故障关断的高电平信号。
[0041 ]图3中VDS为SiC M0SFET漏源极间电压，iD为漏极电流，Vprcit为逻辑控制电路输出的 保护电压信号，V。为检测电容Cd上的电压信号。Vomth)为事先设置的门限电压值，在to时刻， 漏极电流上升，V。检测到一个幅值增大的电压信号，时刻，此电压信号的大小超过事先设 置的门限电压值，检测到的漏极电流超过安全范围I D(max)^t2时刻逻辑控制信号Q的输出 电压vprQt开始上升，在t 3时刻，SiC M0SFET的栅源极电压被钳位。
[0042] 在过流或短路故障状态下，漏极电流快速上升，给栅源极的极间电容充电，SiC M0SFET的栅源极电压很容易超过栅源极电压极限值，易导致栅源极间的栅氧层击穿或损 坏。所以，为了防止过流瞬间开关管栅源极过压，在t 3时刻逻辑控制电路发出高电平信号 vpr。后，栅极电压钳位电路中的开关管M3开通，电容&快速充电，使得栅源极GS之间的电压 被二极管〇:钳位于v CS(max)，栅源极之间的电压不再继续上升。
[0043] 在逻辑控制电路输出为高电平的同时，即在t3时刻，Mi也开通，即二输入与非门 NAND2和二输入与门AND2的输入收到一个低电平，图腾柱式驱动电路中的开关管M位即关 断，开关管此也保持关断状态，关断缓冲电阻R4为缓冲电容C 2充电，充电时间Δ t = R4 X C2， 延迟Δ tl时间后，在t4时亥_2开通，此时栅源极之间接入了一个比正常开关时的驱动电阻R 2 更大的驱动电阻R3,使得SiC M0SFET以较慢的速度关断，减小由于过流时高di/dt作用于寄 生电感上引起的电压尖峰。
[0044] 本发明提出的一种基于寄生电感电流检测方法的SiC器件过流保护电路，即通过 检测开关管源极引脚到功率地之间连线的寄生电感两端的电压信号判断是否过流，通过逻 辑控制电路发出过流关断指令，在发生过流情况时，通过栅极电压钳位电路限制开关管的 栅源极电压以保护开关管，同时触发软关断电路，减缓故障过流关断的速度，降低关断瞬间 的电压尖峰，在实现SiC器件短路保护的快速性的同时，避免由于过流时带来的高di/dt在 寄生电感上产生很大的感应电压，减小SiC器件上所承受的电压尖峰，保护SiC器件的安全。
[0045] 以上所述，仅为了解释本发明所设计的简易实施方案，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变 化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的 保护范围为准。
【主权项】
1. 基于寄生电感电流检测方法，其特征在于:该方法通过检测Sic开关管源极引脚到功 率地之间连线的寄生电感两端的电压信号来计算漏极电流的大小，判断是否过流。2. 根据权利要求1所述的基于寄生电感电流检测方法，其特征在于：该方法基于SiC开 关管漏极电流检测电路，具体为:所述开关管&源极引脚为S，源极引脚S到功率地之间的寄 生电感Z S(e3Xt);漏极引脚到功率地之间连线的寄生电感即漏感电压检测点为K，所述检测点 K与源极引脚S间的引线寄生电感为Ζκ;所述开关管Qi源极内部寄生电感为Zs(int);所述开 关管&栅极寄生电阻为，栅极寄生电感为Zc，所述开关管&漏极内部寄生电感为 流过栅源极回路的电流为i c，漏极电流为i 〇。3. 基于权利要求2所述的寄生电感电流检测方法的SiC M0SFET过流保护电路，其特征 在于，该电路包括依次连接的过流检测电路、逻辑控制电路、栅极电压钳位电路和软关断电 路，所述过流保护电路包括检测开关管，所述检测开关管的源极接功率地，栅极接入栅极电 压钳位电路和软关断电路;将过流信号发送至逻辑控制电路产生过流关断指令，通过栅极 电压钳位电路限制开关管的栅源极电压以保护开关管，同时触发软关断电路，减缓故障过 流关断的速度。4. 根据权利要求3所述的SiC M0SFET过流保护电路，其特征在于，所述过流检测电路包 括检测电容C d和充电电阻7? d，所述充电电阻7? d-端接功率地，另一端连接检测电容C d的 一端以及逻辑控制电路的输入端;所述检测电容Cd另一端接检测开关管&的源极。5. 根据权利要求4所述的SiC M0SFET过流保护电路，其特征在于，所述逻辑控制电路包 括迟滞比较器、与门电路和D触发器;所述迟滞比较器的输入端为逻辑控制电路的输入端， 连接至检测电路，其输出端连接至与门电路的输入端以及D触发器的清零端;所述与门电路 的另一个输入为控制开关管Qi的PWM输入信号K IN，其输出端连接至控制D触发器的时钟信 号CLK;所述D触发器的输出端连接至栅极电压钳位电路和软关断电路。6. 根据权利要求4所述的SiC M0SFET过流保护电路，其特征在于，所述栅极电压钳位电 路包括第三开关管#3、稳压二极管j9i和放电电容Cl ;所述第三开关管#3由逻辑控制电 路中D触发器的输出信号控制，其源极连接至控制地KCND，漏极连接放电电容Ci ;所述放电 电容Ci并联稳压二极管，其另一端连接检测开关管的栅极。7. 根据权利要求4所述的SiC M0SFET过流保护电路，其特征在于，所述软关断电路包括 第二开关管#2、缓冲电容匚2和缓冲电阻7? 4、软关断电阻7? 3、上拉电阻7^、第一开关管 、第四开关管#4、第五开关管#5驱动电阻7? 2以及逻辑门；其中，所述驱动电阻7? 2为 正常开关时的驱动电阻，驱动电阻7? 2 -端连接检测开关管的栅极、软关断电阻7? 3的一 端，另一端连接第四开关管#4、第五开关管#5的漏极;所述软关断电阻的另一端连接 第二开关管#2的漏极;所述第二开关管# 2的源极控制地KGND，栅极连接缓冲电阻的 一端以及缓冲电容c2的一端;所述缓冲电阻7? 4的另一端连接逻辑控制电路的输出端，所 述缓冲电容C2的另一端连接第三开关管#3的源极以及第一开关管的源极和控制地 Fgnd;所述第一开关管#1的漏极连接与非门、与门的输入端以及上拉电阻7? 1的一端； 和^分别为驱动正压和负压，分别连接第四开关管#4、第五开关管#5的源极;第四开关 管#4、第五开关管#5的栅极分别连接至与非门的输出端、与门的输出端；Kin为P丽输入 信号，连接至非门、与门的输入端控制开关管正常开通和关断。
【文档编号】H03K17/687GK106027011SQ201610343220
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】朱梓悦, 秦海鸿, 聂新, 徐华娟, 付大丰
【申请人】南京航空航天大学