[发明专利]一种具有温度补偿的SiC MOSFET短路检测电路和方法

说明书

本发明实施例提供了一种具有温度补偿的SiC MOSFET短路检测电路和方法。该检测电路包括：参考电压产生电路、短路检测电路、短路检测电路、SiC MOSFET和软关断电路；参考电压产生电路通过正温度系数热敏电阻，根据环境温度及SiC MOSFET结温变化产生不同的参考电压，并将参考电压输入短路检测电路，逻辑信号处理电路通过FPGA产生两种不同的故障检测盲区时间发送到短路检测电路，短路检测电路在短路工况下，基于饱和压降和逻辑处理检测SiC MOSFET的短路故障，输出故障信号，并产生驱动信号发送到软关断电路，软关断电路接收驱动信号后，将SiC MOSFET在短路工况下进行安全关断。本发明能够快速响应，灵活设置盲区时间，提高SiC MOSFET应用的可靠性，满足大功率SiC MOSFET驱动保护的使用需求。

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种具有温度补偿的SiC MOSFET短路检测电路和方法。

背景技术

SiC MOSFET(silicon carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管)，是第三代宽禁带半导体。半导体材料的禁带宽度越大，器件就可以耐受更高的温度，因此在高温应用场合具有优势。SiC材料的电子饱和漂移速度高，是Si材料的2.5倍左右，所以SiC功率器件开关速度快、电流密度高，特别适合应用于高频和大功率场合，开关频率的提高使滤波元件体积减小。SiC材料的临界击穿电场约为Si器件的10倍，与同种类型的Si功率器件相比，SiC功率器件能够耐受更高的工作电压，在高压应用场合有优势，目前已有900V～1700V的商业化产品。SiC功率器件的比导通电阻小，可以降低系统的损耗，提高系统的效率。SiC材料的热导率高，约是Si材料的3倍，较高的热导率可以使散热系统得到简化和改善，从而使整个系统的重量和体积得到有效地减小，提高系统的功率密度。

与Si MOSFET相比，SiC MOSFET能够耐受更高的电压同时导通电阻能够保持较小值；与Si IGBT相比，SiC MOSFET没有拖尾电流，使得开关损耗大大降低。SiC功率器件在高温、高压、高频、大功率场合具有较好的发展前景，未来将逐渐替代Si器件。碳化硅功率器件目前主要应用于光伏逆变、电机控制、充电桩、PFC、不间断电源和电动/混合动力汽车等场合，未来还会在智能电网、电力机车、风力发电和舰船等场合有所应用。

短路工况发生时，IGBT的输出特性显示从饱和区到不饱和区的急剧转变，在不饱和状态下，故障电流将限制在标称电流的3-5倍，因此，IGBT可以承受短路期间的故障能量几个微秒，这使得短路检测的方案变得易于实现，短路检测延迟的要求不是很高。SiCMOSFET的沟道迁移率较低，需要的驱动电压在18～20V之间，短路时电流达到了额定电流的10倍以上，没有明显的饱和区，这使得SiC MOSFET短路承受能力很弱，检测延迟必须足够短，以防止SiC MOSFET损坏，短路保护电路应能够快速的做出保护动作，安全关断开关管，而且需要对SiC MOSFET开通时检测电路的检测盲区时间灵活设置。

由于实际电力电子变换器在各种环境温度下工作，导致SiC MOSFET结温变化，随着SiC MOSFET结温的升高，通态电阻升高，若在短路工况下，相同的短路电流造成漏源极电压更大。采用简单检测饱和压降的方案时，由于检测电路中参考电压不变，在正常工况下容易造成误保护，因此需要对参考电压有一定补偿。根据不同的短路工况，可以发现HSF发生时，开关管两端电压总是处于一个较高的值，在开关管开通时，经过较短的盲区时间就需要保护，所以在饱和压降的检测方案中需要的参考电压值较高；FUL或OC发生时，饱和压降从一个较低的值上升，由于SiC MOSFET的非饱和电流在额定电流的十倍以上，所以需要一个较低的参考电压值来检测FUL或OC的发生。

因此，有必要设计一种SiC MOSFET短路检测电路，针对开通瞬间过流、FUL(FaultUnder Load，导通期间短路)和HSF(Hard Swiching Fault，开通瞬间短路)进行检测；克服温度变化时，对于短路检测电流的不准确故障检测，使短路保护延迟大大减小。