具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路

本发明属于短路保护，涉及具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路。

背景技术：

1、近年来，以氮化镓(gan)、碳化硅(sic)、igbt等器件为代表的宽禁带功率半导体器件表现出更加优异的电学特性。在开关速度、驱动损耗、大功率和高频应用中显示出巨大的潜力。目前，功率器件已经广泛地应用和渗透到卫星通信、电动汽车、充电器、有线宽带、电机驱动及逆变器等大功率器件中。为了保证功率器件正常安全的运行，通常会采用各种保护电路。特别是对于大电流的功率模块，短路安全工作区(soa)一般限制在几百纳秒到几微秒，其鲁棒性较低。对于大规模应用，需要进一步提高设备的可靠性，设计用于功率器件的快速无损短路保护电路具有重要意义。目前，应用于功率器件的短路检测主要有以下几种方式：退饱和检测、寄生电感检测、分流器检测、门极电压检测、基于罗氏线圈的电流镜检测等等。其中，退饱和检测存在消隐时间，消隐时间需要根据不同的器件类型与应用条件等进行设置，这大大增加了退饱和短路检测的复杂性，并且精度容易受温度或外界因素影响。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路，解决了传统退饱和电路存在消隐时间的问题，降低了电路的复杂度。

2、本发明所采用的技术方案是，具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路，与功率器件连接，包括漏源电压斜率检测单元模块、功率器件开启判断单元模块、自适应消隐时间产生单元模块、退饱和检测单元模块、保护关断单元模块；

3、漏源电压斜率检测单元模块用于检测功率器件漏极-源极电压斜率是否产生变化；功率器件开启判断单元模块用于判断功率器件是否开启；自适应消隐时间产生单元模块用于产生自适应变化的消隐时间；退饱和检测单元模块用于检测功率器件是否发生了短路故障，以判断是否产生故障信号；保护关断单元模块用于将故障信号发送给功率器件的栅极并将功率器件进行关断。

4、本发明的特点还在于，

5、漏源电压斜率检测单元模块包括电容ch、电容cl、mos管m1-m7和施密特触发器s1，在功率器件开启的瞬间，功率器件的漏源极之间产生远小于零的电压斜率dvds/dt，由电容ch将dvds/dt转化成电流量isen，经过电流镜对isen进行等比例复制，与设置好的参考电流iref作比较。

6、在漏源电压斜率检测单元模块中，若isen大于iref，则此时有斜率产生；若isen小于iref，则无斜率产生，isen与iref的比较结果以电压的形式输出传送到自适应消隐时间产生单元模块中。

7、功率器件开启判断单元模块包括比较器a1，比较器a1的正极接在功率器件的栅极，负极为参考电压vm，若功率器件开启，则栅极信号vg为高电平，因此比较器a1输出高电平，并将该电压信号传送到自适应消隐时间产生单元模块中。

8、自适应消隐时间产生单元模块包括与二输入非门u1和mos管m8，m8的漏极连接退饱和检测单元模块的vc端；

9、若功率器件完全开启或在开启瞬间发生一类短路故障时，漏源电压斜率检测单元模块和功率器件开启判断单元模块的输出信号均为高电平，将两输出信号分别传送至二输入与非门u1的输入端，产生低电平信号来关断mos管m8，以便启动退饱和检测单元模块；反之，与非门u1的输出端为高电平，m8开启，退饱和检测单元模块的输出信号将被m8拉低至低电平，即屏蔽退饱和检测单元模块。

10、退饱和检测单元模块包括二极管d1、d2，电阻r1、r2、r3，电容c1，mos管m8和比较器a2，用于检测功率器件是否发生了短路故障；

11、若短路故障未发生，则功率器件的漏源电压vds进入饱和状态，二极管d1正向导通，电容c1的电压跟随vds变化，且始终为低电平，比较器a2输出低电平；若短路故障发生，则vds升高至母线电压，二极管d1反向截止，电容c1被快速充电至高电平，比较器a2输出故障信号为高电平；比较器a2的输出电压vfault将传输至保护关断单元模块。

12、保护关断单元模块包括rs触发器、施密特触发器s2、反相器u2和二输入或非门u3；

13、施密特触发器s2对输入信号vin进行滤波后通过反相器u2传输至或非门u3的第一输入端；rs触发器用于对关断信号vq进行低电平初始化，当功率器件开启且未发生短路故障时，则故障信号vfault为低电平，vq保持低电平；若发生短路故障，则故障信号vfault为高电平，将vq电压置为1，经过二输入或非门u3的第二输入端输出低电平vd，vd信号送到主驱动电路来控制功率器件进行关断。

14、本发明的有益效果是：

15、本发明具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路，在退饱和检测电路的基础上，提出一种通过检测功率器件的漏极-源极电压斜率以产生自适应消隐时间的短路保护电路，它既可以检测一类短路，又可以检测二类短路；解决了现有退饱和检测存在消隐时间设置的问题，减小了传统退饱和检测电路的操作复杂度，提高了功率器件的工作寿命。使保护电路达到了更全面、更有效的目的，增加了系统的可靠性。

技术特征：

1.具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路，与功率器件连接，其特征在于，包括漏源电压斜率检测单元模块、功率器件开启判断单元模块、自适应消隐时间产生单元模块、退饱和检测单元模块、保护关断单元模块；

2.根据权利要求1所述的具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路，其特征在于，所述漏源电压斜率检测单元模块包括电容ch、电容cl、mos管m1-m7和施密特触发器s1，在功率器件开启的瞬间，功率器件的漏源极之间产生远小于零的电压斜率dvds/dt，由电容ch将dvds/dt转化成电流量isen，经过电流镜对isen进行等比例复制，与设置好的参考电流iref作比较。

3.根据权利要求2所述的具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路，其特征在于，在所述漏源电压斜率检测单元模块中，若isen大于iref，则此时有斜率产生；若isen小于iref，则无斜率产生，isen与iref的比较结果以电压的形式输出传送到自适应消隐时间产生单元模块中。

4.根据权利要求1所述的具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路，其特征在于，所述功率器件开启判断单元模块包括比较器a1，比较器a1的正极接在功率器件的栅极，负极为参考电压vm，若功率器件开启，则栅极信号vg为高电平，因此比较器a1输出高电平，并将该电压信号传送到自适应消隐时间产生单元模块中。

5.根据权利要求1所述的具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路，其特征在于，所述自适应消隐时间产生单元模块包括与二输入非门u1和mos管m8，m8的漏极连接退饱和检测单元模块的vc端；

6.根据权利要求1所述的具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路，其特征在于，所述退饱和检测单元模块包括二极管d1、d2，电阻r1、r2、r3，电容c1，mos管m8和比较器a2，用于检测功率器件是否发生了短路故障；

7.根据权利要求1所述的具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路，其特征在于，所述保护关断单元模块包括rs触发器、施密特触发器s2、反相器u2和二输入或非门u3；

技术总结本发明公开了具有自适应消隐时间的功率器件短路保护电路，与功率器件连接，包括漏源电压斜率检测单元模块、功率器件开启判断单元模块、自适应消隐时间产生单元模块、退饱和检测单元模块、保护关断单元模块。本发明既可以检测一类短路，又可以检测二类短路；解决了现有退饱和检测存在消隐时间设置的问题，减小了传统退饱和检测电路的操作复杂度，提高了功率器件的工作寿命。使保护电路达到了更全面、更有效的目的，增加了系统的可靠性。技术研发人员：杨媛,吕佳慧,茹逍,张国良受保护的技术使用者：西安理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25