[發明專利]綜合對比柵極電荷和電壓的SiC MOSFET短路保護電路及保護方法

有效

• 申請號: 202010104741.X
• 申請日: 2020-02-20
• 公開（公告）號: CN111244883B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 莫玉斌;秦海鴻;楊躍茹;王逸翔;謝利標;胡黎明
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學;南京開關廠有限公司
• 主分類號: H02H3/08
• 分類號: H02H3/08;H02M1/08;H03K17/082;H03K17/687
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 葛瀟敏

本發明公開了一種綜合對比柵極電荷和電壓的SiC MOSFET短路保護電路及保護方法，該電路包括邏輯處理電路、柵極電荷比較電路、柵極電壓比較電路及驅動電路；通過對比柵極電荷比較電路和柵極電壓比較電路輸出的邏輯信號，判斷SiC MOSFET是否發生短路；當發生短路時，柵極電壓比較電路與柵極電荷比較電路先后輸出高電平，邏輯電路將SiC MOSFET的柵極箝位至驅動負壓，從而實現開關管的快速關斷，在開關管完全開通前抑制短路電流。本發明降低了短路故障對器件的損害，不影響SiC MOSFET發揮高速開關的性能優勢，確保不會影響SiC MOSFET的正常工作。

技術領域

本發明屬于電力電子技術領域，尤其涉及一種綜合對比柵極電荷和電壓的SiCMOSFET短路保護電路及保護方法。

背景技術

與傳統硅(Si)器件相比，碳化硅(SiC)器件具有更寬的禁帶寬度、更高的熱導率、更高的臨界場強以及更快的飽和電子遷移速率，其導通壓降低、開關速度快，具有耐高溫、耐高壓的特點，因而在航空航天、混合電動車輛、太陽能逆變器、功率因數校正、UPS和電機驅動領域均有很大應用前景。

然而，在實際應用中，一方面，功率器件不可避免的會工作在過載、短路等非正常工作狀態下，而保護電路從檢測到動作存在一定的延時，這就要求功率器件必須具備一定的過載和短路能力，即能夠承受一定的故障時間。同時，保護電路必須在功率器件所能承受故障時間內清除故障，以避免功率器件的損壞。另一方面，由于器件本身的構造，SiCMOSFET柵極氧化層厚度比Si MOSFET更薄，短路故障時氧化層界面穩定性更低，不利于SiCMOSFET長期可靠工作。此外，SiC MOSFET管芯面積小、電流密度大，其短路能力更弱，短路承受時間更短，給SiC MOSFET短路保護設計帶來極大的挑戰。

傳統短路保護方法之一是檢測SiC MOSFET的漏源電壓，在正常情況下，漏源電壓下降到飽和電壓速度比較緩慢，因此用這種方法檢測硬開關故障需要較長的消隱時間。傳統短路保護方法之二是漏極電流監測法，但由于需要電流互感器等電流傳感器，限制了電流檢測的帶寬，并不是一種經濟有效的方法。這些方法在檢測SiC MOSFET短路故障的同時，存在精度較低、故障持續時間被延長和不能及時關斷功率器件的缺點，實際應用價值受限。

發明內容

發明目的：為解決現有技術存在精度低、反應時間長、成本高等問題，本方提供一種綜合對比柵極電荷和電壓的SiC MOSFET短路保護電路及保護方法。

技術方案：本發明提供一種綜合對比柵極電荷和電壓的SiC MOSFET短路保護電路，應用于在SiC MOSFET開通過程中，檢測SiC MOSFET是否短路該電路包括:邏輯處理電路、柵極電荷比較電路、柵極電壓比較電路及驅動電路。

所述柵極電壓比較電路的輸入端連接SiC MOSFET管的柵極，輸出端連接邏輯處理電路的第一輸入端；所述柵極電荷比較電路的第一輸入端與SiC MOSFET管的柵極連接；第二輸入端與驅動電路的輸出端連接；柵極電荷比較電路的輸出端連接邏輯處理電路的第二輸入端；所述邏輯處理電路的輸出端與驅動電路的輸入端連接；

所述柵極電荷比較電路對SiC MOSFET管的柵極上的驅動電流進行放大，并進行積分運算，并將積分運算后的輸出與第一預設電壓進行比較，從而輸出邏輯控制信號至邏輯處理電路；柵極電壓比較電路將SiC MOSFET管的柵極電壓與第二預設電壓進行比較，并輸出邏輯控制信號至邏輯處理電路；所述邏輯處理電路根據收到的邏輯控制信號判斷SiCMOSFET管是否短路，若是短路，邏輯處理電路控制驅動電路輸出低電平，從而通過驅動電路控制SiC MOSFET的關斷；若不存在短路，則控制驅動電路輸出高電平保證SiC MOSFET管的正常運作。