[發明專利]一種SiC MOSFET功率模塊的短路故障檢測方法

在審

• 申請號: 202110905899.1
• 申請日: 2021-08-06
• 公開（公告）號: CN113589128A
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 劉平;劉葉春;陳梓健;盧繼武;黃守道
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26;G01R31/52
• 代理公司: 長沙智路知識產權代理事務所(普通合伙) 43244
• 代理人: 張毅

本發明涉及一種SiC MOSFET功率模塊的短路故障檢測方法，該短路故障檢測方法利用分壓電路和積分電路得到SiC MOSFET的漏?源電壓及漏極電流的檢測值，并輸入乘法器模塊，在乘法器模塊中將漏?源電壓及漏極電流的檢測值相乘，得到與瞬時功耗成比例的檢測值，使用比較與觸發保持模塊將高速乘法器輸出的瞬時功耗檢測值與事先設定好的閾值進行比較，若檢測值高于閾值，則輸出故障信號。通本發明的短路故障檢測方法，使得該SiC MOSFET能在不增加過多的硬件損耗和成本的基礎上，可靠地在線判斷電路是否發生了短路故障，以達到準確快速地保護器件的目的。

技術領域

本發明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種SiC MOSFET功率模塊的短路故障檢測方法。

背景技術

SiC材料相比于傳統Si材料，具有高禁帶寬度、高飽和電子漂移速率、高熱導率和高擊穿場強等優異特性，這使得SiC器件具有高開關頻率(高于20kHz)、高耐壓、低導通損耗、高運行溫度等優點，但相對于同等級的Si IGBT器件，SiC MOSFET的芯片面積小、電流密度大，溝道遷移率低，導通電阻較小，短路時的電流可增加到額定值的8～10倍，所以短路耐受時間更短，需要更加快速可靠的檢測和保護。因此，SiC MOSFET對驅動器的快速保護能力有更高的要求，設計具有快速可靠保護的SiC MOSFET驅動器對于推動和加速SiC MOSFET的廣泛應用具有重要的意義。

以電氣化交通用電機驅動應用為例，SiC MOSFET在實際運行過程中容易出現兩類故障，這兩類故障按照短路回路的電感量可以分為硬開關短路(Hard Switching Fault,HSF)和負載短路(Fault Under Load,FUL)。硬開關短路產生的短路電流短時間內可在功率芯片內部產生非常大的熱量，使結溫迅速升高。若保護電路沒有及時檢測到短路故障并快速關斷器件，芯片非常容易因結溫過高而燒毀或柵氧層發生失效。因此，對于SiC MOSFET模塊來說，硬開關短路時是最需要被快速檢測并響應的故障。

負載短路是指SiC MOSFET在已開通的條件下發生短路，如負載電機相間短路或對地短路。負載發生短路后，功率回路電感量大幅下降，漏極電流快速上升，回路電感因逐漸飽和而直通，器件退出飽和區，進入短路狀態，漏-源電壓最終將穩定在直流母線電壓值。負載短路也是一種較為嚴重的短路故障，也需要快速關斷。

SiC MOSFET短路保護中最重要的環節就是短路故障檢測，能夠快速準確的檢測到短路故障是實現快速可靠保護的前提。目前對SiC MOSFET進行短路檢測的方法主要有退飽和檢測法、di/dt檢測法、柵極電壓檢測法、柵極電荷檢測法。

退飽和檢測法利用發生短路時SiC MOSFET漏極電壓會上升至母線電壓的特性，檢測到漏源電壓高于預設的參考值時即觸發保護；di/dt檢測法是利用短路時漏極電流的快速上升所產生的感應電動勢來判斷其是否發生短路故障；柵極電壓檢測法是利用驅動電壓相同時，短路時的電荷量比正常驅動時小的原理，當電壓達到參考值而電荷小于參考值時，則判定為發生短路故障，保護動作；柵極電荷檢測法是通過監測流過柵極的電荷量，短路故障發生時，柵極電荷量將迅速增大，若該值超過檢測電路允許的最大值則觸發保護動作。

例如，發明專利CN105445608B-《SIC MOSFET過流短路檢測電路及檢測保護系統》通過使用比SiC MOSFET開關速度更快的開關擴流器件，實現快速過流檢測。發明專利CN111130518A-《一種SiC MOSFET快速短路保護電路》通過串聯電阻將短路時產生的大電流轉化為電壓信號，從而通過監測電壓來檢測短路故障。發明專利CN111313874A-《一種用于SiC MOSFET的電流檢測裝置及短路保護方法》是利用短路時漏極、源極電流產生的感應電動勢與正常工況下的差異來進行故障檢測。

目前SiC MOSFET的短路檢測方法所存在如下的種種缺陷：