一种碳化硅MOSFET管短路检测电路及装置的制作方法

一种碳化硅mosfet管短路检测电路及装置
技术领域
1.本发明涉及电路设计领域，具体涉及一种碳化硅mosfet管短路检测电路及装置。


背景技术：

2.近些年来，电子设备的发展趋势是追求更高的功率密度和尝试在更高温度的环境下工作，以此适应各种新兴场合的需要，如电动汽车、光伏逆变、风力发电和不间断电源等领域。得益于材料科学和生产工艺的进步，碳化硅(silicon carbide,sic)金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,mosfet)在工业界开始得到应用。相比于传统的硅基器件，碳化硅mosfet有着诸多优势，如高击穿场强、高热导率和高禁带宽度等。因此，以碳化硅mosfet为典型代表的各类宽禁带半导体器件在未来必将逐渐取代各类硅基器件。
3.然而碳化硅mosfet较高的开关速度与较弱的短路承受能力对短路保护技术带来了新的挑战。短路故障是导致碳化硅mosfet失效的重要原因之一，严重阻碍其应用。按照短路发生时刻，可以将短路故障分为硬开关故障(hard switching fault,hsf)与负载故障(fault under load,ful)两类。不论是hsf还是ful发生时，碳化硅mosfet都承受着巨大的短路能量。由于碳化硅mosfet芯片面积较小、电流密度较大，巨大的能量可能会在短时间内烧毁碳化硅mosfet。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种碳化硅mosfet管短路检测电路及装置，目的在于，采用栅检测和电流检测结合的方法，对两种类型的短路故障进行检测，提高检测速度，增加检测结果的准确性。
5.为达上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种碳化硅mosfet管短路检测电路，包括：碳化硅mosfet管；第一类短路检测单元，所述第一类短路检测单元与所述碳化硅mosfet管的第一电极连接，用于基于漏极电流输出第一故障信号；第二类短路检测单元，所述第二类短路检测单元与所述碳化硅mosfet管的栅极连接，用于基于栅极电压输出第二故障信号；逻辑信号处理单元，根据所述第一故障信号和所述第二故障信号输出控制信号，控制所述碳化硅mosfet管关断。
7.进一步的，所述第一类短路检测单元包括第一电流镜单元和分压子单元，所述第一电流镜单元的第一输入端与所述碳化硅mosfet管的第一电极连接，所述第一电流镜单元的第二输入端与所述分压子单元连接。
8.进一步的，所述第一类短路检测单元还包括与所述第一电流镜单元级联的第二电流镜单元。
9.进一步的，所述分压子单元包括串联的第一电阻r1和第二电阻r2，所述分压子单元的一端连接电源电压，所述分压子单元的另一端接地。
10.进一步的，所述碳化硅mosfet管短路检测电路还包括反相器，所述第一类短路检
测单元通过所述反相器与所述逻辑信号处理单元连接。
11.进一步的，所述第二类短路检测单元包括第一比较器，所述第一比较器的正相输入端与所述碳化硅mosfet管的栅极连接，所述第一比较器的反相输入端与第一参考电压v
ref_ful
输入端连接。
12.进一步的，所述逻辑信号处理单元包括或门，所述或门的第一输入端与所述第一类短路检测单元的输出端连接，所述或门的第二输入端与所述第二类短路检测单元的输出端连接。
13.进一步的，还包括栅极控制单元，所述或门的输出端与所述碳化硅mosfet管的栅极之间通过所述栅极控制单元连接。
14.进一步的，所述栅极控制单元与所述碳化硅mosfet管的栅极之间还设有外部栅极电阻r3。
15.本技术还提供了一种电子设备，包括如上所述的碳化硅mosfet管短路检测电路。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.本发明基于碳化硅mosfet在短路时的电压/电流特性，采用栅检测和电流检测结合的方法，同时对两种类型的短路故障进行检测，提高检测速度，增加检测结果的准确性。
18.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1示出了本发明实施例中碳化硅mosfet短路等效电路图；
21.图2示出了本发明实施例中短路暂态过程中的4个阶段；
22.图3示出了本发明实施例中碳化硅mosfet管短路检测电路示意图；
23.图4示出了本发明实施例中第一类短路检测单元的电路图；
24.图5示出了本发明实施例中第二类短路检测单元工作时序图；
25.图6示出了本发明实施例中第二类短路检测单元的电路图；
26.图7示出了本发明实施例中逻辑信号处理单元的电路图；
27.图8示出了本发明实施例中栅极控制单元的电路示意图。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.图1示出了本发明实施例中碳化硅mosfet短路等效电路图。如图1所示，vgg是栅极
电压源，用于控制脉冲持续时间和关闭mosfet，rg是外部栅极电阻，ls是共源电感，r
ds
是高侧mosfet在其线性区域工作时的导通电阻。l
loop
和lg分别为功率回路和栅极回路的寄生电感，c
gd
、c
gs
和c
ds
为低侧mosfet电极间的寄生电容。在正常运行时，负载电流流过上部器件，碳化硅mosfet处于关断状态，直流电压几乎全部加到碳化硅mosfet上，图2示出了本发明实施例中短路暂态过程中的4个阶段。
30.如图2所示，在第一阶段s1过程中，栅电流ig开始对碳化硅mosfet的输入电容c
iss
充电，其中c
iss
＝c
gs
+c
gd
，导致栅源电压v
gs
上升。在高漏源电压v
ds
(接近直流链路电压v
dc
)的作用下，栅源电容c
gs
比米勒电容c
gd
更大，因此吸收了大部分栅极电流ig。随着漏极电流id上升，栅源电压v
gs
达到栅极阈值电压v
th
，第二阶段s2开始。在第二阶段s2过程中，随着栅源电压v
gs
的继续上升，由于功率回路阻抗较低，因此电流id急剧上升，逐渐超过额定电流id，而漏源电压v
ds
由于共源电感ls和功率回路电感诱导的反激电压的影响而下降,短路电流的峰值由碳化硅mosfet的跨导及其栅极电压和直流母线电压共同决定。
31.随着第三阶段s3的开始，漏源电压v
ds
的上升导致器件的寄生电容c
gd
充电，并且这个充电电流流向c
gs
，导致栅源电压v
gs
继续上升，短路电流的变化率降低。在第四阶段s3过程中，经过前两个阶段后，短路的巨大能量使器件的结温升高，影响器件的输出特性，由于整体漂移速率的负温度系数，短路电流开始下降，直到器件被关闭或销毁。
32.基于此，本发明提供了一种碳化硅mosfet管短路检测电路，图3示出了本发明实施例中碳化硅mosfet管短路检测电路示意图，如图3所示，所述短路检测电路包括：碳化硅mosfet管q、第一类短路检测单元100、第二类短路检测单元200和逻辑信号处理单元300，其中，所述碳化硅mosfet管q包括第一电极、第二电极和栅极；所述第一类短路检测单元100与所述碳化硅mosfet管q的第一电极连接，用于基于所述碳化硅mosfet管q的漏极电流输出第一故障信号；所述第二类短路检测单元200与所述碳化硅mosfet管q的栅极连接，用于基于所述碳化硅mosfet管q的栅极电压输出第二故障信号；所述逻辑信号处理单元300根据所述第一故障信号和所述第二故障信号输出控制信号，控制所述碳化硅mosfet管q的关断。作为一种可行的实施方式，所述第一类短路检测单元100用于检测硬开关故障(hard switching fault,hsf)，所述第二类短路检测单元200用于检测负载故障(fault under load,ful)。基于碳化硅mosfet在短路时的电压/电流特性，采用栅检测和电流检测结合的方法，同时对两种类型的短路故障进行检测，提高检测速度，增加检测结果的准确性。
33.进一步的，图4示出了本发明实施例中第一类短路检测单元的电路图。如图4所示，所述第一类短路检测单元100包括第一电流镜单元和分压子单元，所述第一电流镜单元的第一输入端与所述碳化硅mosfet管q的第一电极连接，所述第一电流镜单元的第二输入端与所述分压子单元连接。
34.作为一种具体的实施方式，所述第一电流镜单元包括第一晶体管m1和第二晶体管m2，所述第一晶体管m1的第一电极与所述碳化硅mosfet管q的第一电极相连接且与所述第一晶体管m1的栅极连接，所述第二晶体管m2的栅极与所述第一晶体管m1的栅极连接，所述第一晶体管m1的第二电极和所述第二晶体管m2的第二电极接地，所述第二晶体管m2的第一电极与所述分压子单元连接，当发生硬开关故障(hard switching fault,hsf)短路时，id会急剧上升，甚至达到额定电流id的6-7倍，因此可以采用第一电流镜单元对电流进行复制。
35.作为一种可行的实施方式，所述第一类短路检测单元100还包括与所述第一电流
镜单元级联的第二电流镜单元，具体的，所述第二电流镜单元包括第三晶体管m3和第四晶体管m4，所述第三晶体管m3的第一电极与所述第一晶体管m1的第二电极相连接且与所述三晶体管m3的栅极连接，所述第四晶体管m4的栅极与所述第三晶体管m3的栅极连接，所述第三晶体管m3的第二电极和所述第四晶体管m4的第二电极接地，所述第四晶体管m4的第一电极通过所述第二晶体管m2与所述分压子单元连接。采用与所述第一电流镜单元级联的第二电流镜单元，可以使电流复制更加稳定准确且获得更小摆幅。
36.进一步的，所述分压子单元包括串联的第一电阻r1和第二电阻r2，所述分压子单元的一端连接电源电压vdd，所述分压子单元的另一端接地。当发生硬开关故障(hard switching fault,hsf)短路时，id急剧增加，电流镜处的电阻减小，第二电阻r2和电流镜总分压变小，第一电阻r1分压增大，n1节点处电压会减小。
37.进一步的，所述碳化硅mosfet管短路检测电路还包括反相器，所述第一类短路检测单元100通过所述反相器与所述逻辑信号处理单元300连接。未发生短路时，反相器输出信号为0，当发生硬开关故障(hard switching fault,hsf)短路时，n1节点处电压会减小，反相器输出1(也即第一故障信号)。
38.进一步的，图5示出了本发明实施例中第二类短路检测单元工作时序图，图6示出了本发明实施例中第二类短路检测单元的电路图。如图5所示，当发生负载故障(fault under load,ful)短路时，所述碳化硅mosfet管q的栅极电压会产生一个小电压尖峰。如图6所示，所述第二类短路检测单元200包括第一比较器u1，所述第一比较器u1的正相输入端与所述碳化硅mosfet管q的栅极连接，所述第一比较器u1的反相输入端与第一参考电压v
ref_ful
输入端连接。当未发生短路时，所述第一比较器u1输出0，当发生负载故障(fault under load,ful)短路时，所述第一比较器u1输出1(也即第二故障信号)。
39.进一步的，图7示出了本发明实施例中逻辑信号处理单元的电路图。如图7所示，所述逻辑信号处理单元300包括或门，所述或门的第一输入端与所述第一类短路检测单元100的输出端连接，所述或门的第二输入端与所述第二类短路检测单元200的输出端连接。当发生任何一种类型的短路都会向所述逻辑信号处理单元中的或门输入第一故障信号和/或第二故障信号，并在或门输出短路控制信号sc，从而触发短路保护。
40.进一步的，所述碳化硅mosfet管短路检测电路还包括栅极控制单元400，所述或门的输出端与所述碳化硅mosfet管q的栅极之间通过所述栅极控制单元400连接。图8示出了本发明实施例中栅极控制单元的电路示意图。如图8所示，所述栅极控制单元400包括第四电阻r4和控制mosfet，所述控制mosfet的栅极与所述逻辑信号处理单元300的输出端连接，所述控制mosfet的第一电极与所述第四电阻r4的第一端连接，所述控制mosfet的第二电极接地，所述第四电阻r4的第二端与所述碳化硅mosfet管q的栅极连接。所述栅极控制单元400用于接收所述短路控制信号sc，将所述碳化硅mosfet管q在短路的情况下进行关断。
41.进一步的，所述栅极控制单元与所述碳化硅mosfet管的栅极之间还设有外部栅极电阻r3。
42.本发明的所述碳化硅mosfet管短路检测电路采用栅检测和电流检测结合的方法，不需要采用积分电路，几乎无延迟的输出故障信号，延迟仅来自于比较器和逻辑器件的传输延迟，检测速度快。
43.本技术还提供了一种电子设备，包括如上所述的碳化硅mosfet管短路检测电路。
44.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种碳化硅mosfet管短路检测电路，其特征在于，包括：碳化硅mosfet管；第一类短路检测单元，所述第一类短路检测单元与所述碳化硅mosfet管的第一电极连接，用于基于漏极电流输出第一故障信号；第二类短路检测单元，所述第二类短路检测单元与所述碳化硅mosfet管的栅极连接，用于基于栅极电压输出第二故障信号；逻辑信号处理单元，根据所述第一故障信号和所述第二故障信号输出控制信号，控制所述碳化硅mosfet管关断。2.根据权利要求1所述的一种碳化硅mosfet管短路检测电路，其特征在于，所述第一类短路检测单元包括第一电流镜单元和分压子单元，所述第一电流镜单元的第一输入端与所述碳化硅mosfet管的第一电极连接，所述第一电流镜单元的第二输入端与所述分压子单元连接。3.根据权利要求2所述的一种碳化硅mosfet管短路检测电路，其特征在于，所述第一类短路检测单元还包括与所述第一电流镜单元级联的第二电流镜单元。4.根据权利要求2所述的一种碳化硅mosfet管短路检测电路，其特征在于，所述分压子单元包括串联的第一电阻r1和第二电阻r2，所述分压子单元的一端连接电源电压，所述分压子单元的另一端接地。5.根据权利要求1所述的一种碳化硅mosfet管短路检测电路，其特征在于，还包括反相器，所述第一类短路检测单元通过所述反相器与所述逻辑信号处理单元连接。6.根据权利要求1所述的一种碳化硅mosfet管短路检测电路，其特征在于，所述第二类短路检测单元包括第一比较器，所述第一比较器的正相输入端与所述碳化硅mosfet管的栅极连接，所述第一比较器的反相输入端与第一参考电压v
ref_ful
输入端连接。7.根据权利要求1所述的一种碳化硅mosfet管短路检测电路，其特征在于，所述逻辑信号处理单元包括或门，所述或门的第一输入端与所述第一类短路检测单元的输出端连接，所述或门的第二输入端与所述第二类短路检测单元的输出端连接。8.根据权利要求7所述的一种碳化硅mosfet管短路检测电路，其特征在于，还包括栅极控制单元，所述或门的输出端与所述碳化硅mosfet管的栅极之间通过所述栅极控制单元连接。9.根据权利要求8所述的一种碳化硅mosfet管短路检测电路，其特征在于，所述栅极控制单元与所述碳化硅mosfet管的栅极之间还设有外部栅极电阻r3。10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任意一项所述的碳化硅mosfet管短路检测电路。

技术总结
本发明涉及一种碳化硅MOSFET管短路检测电路及装置，其中所述检测电路包括：碳化硅MOSFET管；第一类短路检测单元，所述第一类短路检测单元与所述碳化硅MOSFET管的第一电极连接，用于基于漏极电流输出第一故障信号；第二类短路检测单元，所述第二类短路检测单元与所述碳化硅MOSFET管的栅极连接，用于基于栅极电压输出第二故障信号；和逻辑信号处理单元，根据所述第一故障信号和所述第二故障信号输出控制信号，控制所述碳化硅MOSFET管关断。本发明采用栅检测和电流检测结合的方法，不需要采用积分电路，检测速度快，可以囊括多种短路的模式，从而保证检测结果更准确。从而保证检测结果更准确。从而保证检测结果更准确。


技术研发人员：陈涛 黄汇钦
受保护的技术使用者：天狼芯半导体（成都）有限公司
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/21