基于隧道磁电阻的集成SiCMOSFET模块过流和短路保护电路的制作方法

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种基于隧道磁电阻的集成碳化硅MOSFET模块过流和短路保护方法。

背景技术：

由于SiC(碳化硅)材料在禁带宽度、载流子饱和速度和导热率等方面优良特性，碳化硅MOSFET在导通和开关损耗、高温应用等方面性能都优于硅IGBT。随着碳化硅器件的价格降低、芯片品质和封装材料性能的提高，SiC MOSFET将加快与硅基IGBT的竞争，并逐步取代部分甚至大部分IGBT的市场份额。

可靠的过流和短路保护对电力电子器件可靠性至关重要。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET的短路电流上升速度更快和峰值更大，且过流时门极栅氧易老化，碳化硅MOSFET要求更为快速可靠的短路和过流保护。目前广泛用于Si IGBT的退饱和技术不适用于SiC MOSFET的过流和短路保护，主要原因是无法兼顾检测速度和准确率。SiC MOSFET开关速度比IGBT快一个量级，开关动作产生的高dv/dt易在退保和电压信号上产生较大尖刺，为避免误诊断，需要设置较长的空白时间，降低了检测速度。

直接获取流经碳化硅MOSFET的电流信息可实现可靠的过流和短路保护。最简单的电流采样方法是在碳化硅MOSFET通路上串联电流采样电阻，但不仅增加环路寄生电感，且造成额外损耗，显然不适合高压大功率场合。为克服此弊端，可将碳化硅MOSFET芯片的小部分晶胞专门用于电流检测，称为SenseFET技术，这种方法并不具备普遍性，多数碳化硅MOSFET芯片尚未集成此类电流端子，此类senseFET模块成本也较高。利用功率模块的开尔文电感的压降信息也能检测短路故障。该方法电路简单，无需高速运放(成本低)，且保护速度快，但是无法用于过流保护，变化缓慢的过流故障检测时间会明显变长，甚至检测不到。美国弗吉利亚理工大学CPES还提出了基于集成罗氏线圈的短路检测方法该方法原理简单，但实际应用存在诸多挑战。由于每个运放内部的偏置电压和电流都不一样，需要单独校正，限制了该方法的推广。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于隧道磁电阻的集成碳化硅MOSFET模块过流和短路保护方法。该方法基于一种新型电流传感器隧道磁电阻(Tunnel Magnetoresistance,TMR)而实现，是一种可靠、快速、简单和低成本的且可集成于功率模块内部的碳化硅MOSFET过流及短路保护方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于隧道磁电阻的集成SiC MOSFET模块过流和短路保护电路，包括信号隔离单元和驱动单元；其特征在于，还包括TMR电流检测单元、阈值设定单元和比较器，TMR电流检测单元和阈值设定单元分别与比较器的输入端相接，比较器的输出端依次连接信号隔离单元和驱动单元，驱动单元用于连接集成SiC MOSFET模块的门极信号开关；

所述TMR电流检测单元包括两个用于差分测量磁场梯度的磁场梯度测量单元，后者具有由四个隧道磁电阻组成的桥式结构；两个磁场梯度测量单元通过运算放大器和差分放大电路接至所述比较器的输入端。

本发明中，所述TMR电流检测单元的具体结构为：第一磁场梯度测量单元通过第一电阻连接到运算放大器的反相端，第二磁场梯度测量单元通过第二电阻连接到运算放大器的同相端，两个磁场梯度测量单元的供电VCC通过第三电阻连接到运算放大器的同相端；运算放大器的同相端再通过第四电阻接地，为运算放大器的输出提供直流偏置；运算放大器的输出端通过第五电阻连接到运算放大器的反相端形成负反馈；其中，第一电阻和第二电阻的阻值相等，第三电阻和第四电阻的并联阻值等于第五电阻的阻值。

本发明进一步提供了利用前述电路实现集成SiC MOSFET模块过流和短路保护的方法，包括以下步骤：

(1)将TMR电流检测单元放置在集成SiC MOSFET模块的内部，通过两个磁场梯度测量单元测量磁场梯度，从而获取流经集成SiC MOSFET模块的电流值；

(2)将TMR电流检测单元测量到的电流值输出到比较器，与阈值设定单元中设定的电流阈值进行比较；如果集成SiC MOSFET模块发生过流或短路，TMR电流检测单元的输出将超过阈值，比较器输出关断信号并由驱动单元触发集成SiC MOSFET模块的门极信号开关，实现对集成SiC MOSFET模块的保护。

本发明进一步提供了集成了前述过流和短路保护电路的集成SiC MOSFET模块的结构，所述驱动单元接至集成SiC MOSFET模块的门极。

本发明中，所述TMR电流检测单元放置在集成SiC MOSFET模块内部的铜排上。

本发明进一步提供了TMR电流检测单元具体放置位置的确认方法，包括以下步骤：

(1)根据集成SiC MOSFET模块的结构和尺寸，建立有限元仿真模型；

(2)利用有限元仿真软件对步骤(1)所获仿真模型进行磁仿真，得到在不同导通状态下集成SiC MOSFET模块的内部磁场分布；

(3)以被测磁场和干扰磁场之比最大为优化函数，对步骤(2)所获内部磁场分布结果进行遍历，得到最优的放置位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明基于隧道磁电阻的应用实现集成SiC MOSFET模块的过流和短路故障检测及保护，具有成本低、方法简单、响应速度快等优点，在采用优选电路的情况下可将响应时间控制在1.7us以内。

2、TMR电流检测单元的体积小，易于集成到碳化硅MOSFET模块内部，可得到具有电流检测功能的碳化硅MOSFET模块，为碳化硅MOSFET模块的保护和应用提供便利。

3、TMR电流检测单元采用差分测量磁场梯度的方式。由于磁场梯度的大小与到磁场源距离的平方成反比，采用差分测量的方式可有效地抑制噪声磁场的干扰，使TMR电流检测单元的输出更准确。

附图说明

图1为本发明短路保护电路的原理框图；

图2为基于检测磁场梯度ΔB的TMR电流检测单元；

图3为碳化硅MOSFET模块的拓扑结构；

图4为TMR电流检测单元集成于碳化硅MOSFET内部结构示意图；

图5为遍历法寻找最佳TMR传感器放置位置的流程图。

图6为一种碳化硅MOSFET的过流和短路保护的实施方式。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1所示的即为本发明技术方案的原理框图。过流和短路保护电路包括信号隔离单元和驱动单元、TMR电流检测单元、阈值设定单元和比较器，TMR电流检测单元和阈值设定单元分别与比较器的输入端相接，比较器的输出端依次连接信号隔离单元和驱动单元，驱动单元用于连接集成SiC MOSFET模块的门极信号开关。

首先通过TMR电流检测单元采集碳化硅MOSFET模块的电流信号，再与阈值设定单元所产生的电流阈值比较，若超过阈值则由比较器产生保护信号，经由信号隔离单元发送到驱动单元，关断碳化硅MOSFET模块，实现碳化硅MOSFET模块的过流及短路保护。

所述TMR电流检测单元的结构如图2所示，包括两个用于差分测量磁场梯度的磁场梯度测量单元，后者具有由四个隧道磁电阻组成的桥式结构；TMR电流检测单元的具体结构为：第一磁场梯度测量单元通过第一电阻R1连接到运算放大器的反相端，第二磁场梯度测量单元通过第二电阻R2连接到运算放大器的同相端，两个磁场梯度测量单元的供电VCC通过第三电阻R3连接到运算放大器的同相端；运算放大器的同相端再通过第四电阻R4接地，为运算放大器的输出提供直流偏置；运算放大器的输出端通过第五电阻R5连接到运算放大器的反相端形成负反馈；其中，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相等，第三电阻R3和第四电阻R4的并联阻值等于第五电阻R5的阻值。

TMR电阻随着外界磁场的方向和大小不同而变化，两个磁场梯度测量单元放置于集成SiC MOSFET模块内部的不同两点，两者V-之差反映了两点磁场梯度的变化

ΔV＝k·ΔB

其中，k为增益系数，其值既与TMR电流检测单元的供电电压及磁场梯度测量单元特性有关，也与两个磁场梯度测量单元的相对位置有关。ΔV会随着被测电流而线性变化，经放大电路放大后即可用于后级的过流和短路保护。值得一提的，这种测量磁场梯度获取电流信息的方式，能减小邻近磁场对被测电流的干扰，因为磁场梯度ΔB随距离的二次方衰减。

图3是一种碳化硅MOSFET模块的拓扑结构，图4为一种对应的模块结构示意图，图4中标示的铜排端子1、2、3与图3中的附图标记一一对应。图4中黑色方块是TMR电流检测单元，这里仅示意了检测碳化硅MOSFET模块上管电流的情形，也可以放置在铜排端子2或3。

图4中TMR电流检测单元的放置位置可通过下述步骤获取：

(1)根据碳化硅MOSFET模块结构和尺寸，建立有限元仿真模型；

(2)利用有限元仿真软件对该模型进行磁仿真，得到在不同导通状态下碳化硅MOSFET模块的内部磁场分布；

(3)将所述的碳化硅MOSFET内部磁场分布导出到计算软件，并以被测磁场和干扰磁场之比最大为优化函数，利用遍历法(图5)得到最优的TMR电流传感器的摆放位置。

图5为遍历法寻找最佳TMR传感器放置位置的流程图。首先读入有限元磁仿真的结果数据，确定优化目标函数，并设定初始最优值optimum，初始化optimum为原点的目标函数值。接着确定求解区域，合理剖分网格，建立坐标系，对网格进行遍历，若有格点的目标函数值cost优于当前的最优值optimum则记录下该格点的坐标并更新optimum为当前格点的目标函数值cost，如此往复，直到遍历完求解区域内的所有格点，最后即可输出目标函数的最优值和最优点的坐标。根据仿真和计算结果，一般将TMR电流检测单元放置在碳化硅MOSFET模块输出铜排的边缘是较为合适的设计。

图6为本发明所述过流和短路保护方法的具体示例。图6中的i1为TMR电流检测单元的输出，当过流或短路发生时，i1会超过电流阈值Iref，通过比较器输出保护信号，该保护信号会触发信号隔离单元，使Vcc通过电阻R给电容C充电。当vc超过阈值Ref后会继续产生保护信号，滤波后送入驱动单元。驱动单元将关断集成SiC MOSFET模块，实现过流及短路保护。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。