一种碳化硅MOSFET短路保护电路的制作方法

一种碳化硅mosfet短路保护电路
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种碳化硅mosfet短路保护电路。


背景技术：

2.随着第三代半导体技术的迅猛发展，越来越多的第三代半导体器件应用到了电力电子设备中。碳化硅(sic)mosfet作为第三代半导体的重要代表，以其工作温度高、阻断电压高、高频特性好等特点，已在工业、汽车以及国防军工等领域有着广泛应用。
3.对于碳化硅mosfet的短路保护电路，目前最常用的做法是使用硅器件或者igbt的短路保护电路进行改进，这类短路保护电路要么是集成于驱动模块，要么使用较复杂的放大比较逻辑来实现，成本较为昂贵；而且，硅器件和igbt应用在电子设备中时，其开关频率通常是20khz的开关频率以下，而碳化硅mosfet的开关频率通常在100khz以上，这意味着，这类短路保护电路在出现短路情况时，要在更短的时间内识别并响应；另外，硅器件的驱动电路通常是正电压开通，零电平关断，而碳化硅mosfet需要正电压开通，负电压关断，则这类短路保护电路的电压基准通常是以零电平为基准，若使用负电压为基准，则较难应用。
4.因此，需要研究一种能在高开关频率下快速响应且能适应负电压基准的碳化硅mosfet短路保护电路。
5.以上信息作为背景信息给出只是为了辅助理解本公开，并没有确定或者承认任意上述内容是否可用作相对于本公开的现有技术。


技术实现要素：

6.本发明提供一种碳化硅mosfet短路保护电路，以解决现有技术的不足。
7.为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：
8.一种碳化硅mosfet短路保护电路，包括碳化硅mosfet驱动模块、碳化硅mosfet导通电压检测模块、分压取样模块、参考电平模块和比较输出模块；其中，
9.所述碳化硅mosfet驱动模块包括碳化硅驱动板u3、主控板u4和第一电阻r1；
10.所述碳化硅驱动板u3的pwm引脚与所述主控板u4连接，所述碳化硅驱动板u3的s1引脚与第一碳化硅mosfet q1的源极连接，所述碳化硅驱动板u3的g1引脚与所述第一碳化硅mosfet q1的栅极连接，所述第一电阻r1的一端与所述碳化硅驱动板u3的s1引脚连接，所述第一电阻r1的另一端与所述碳化硅驱动板u3的g1引脚连接；所述第一碳化硅mosfet q1的源极与负母线bus-连接，所述第一碳化硅mosfet q1的漏极与第二碳化硅mosfet q2的源极连接，所述第二碳化硅mosfet q2的漏极与正母线bus+连接；
11.所述碳化硅mosfet导通电压检测模块包括第一二极管d1、第二二极管d2和第二电阻r2；
12.所述第一二极管d1的负极连接在所述第一碳化硅mosfet q1的漏极与第二碳化硅mosfet q2的源极之间，所述第一二极管d1的正极与所述第二二极管d2的正极连接，所述第二二极管d2的负极与所述第一碳化硅mosfet q1的栅极连接，所述第二电阻r2的一端连接
在所述第一二极管d1的正极与所述第二二极管d2的正极之间，所述第二电阻r2的另一端与所述第一碳化硅mosfet q1的栅极连接；
13.所述分压取样模块包括第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、稳压二极管d3、第三二极管d4和电容c1；
14.所述第三电阻r3的一端连接在所述第一二极管d1的正极与所述第二二极管d2的正极之间，所述第三电阻r3的另一端与所述第四电阻r4的一端连接，所述第四电阻r4的另一端与负电压连接，所述稳压二极管d3的负极连接在所述第三电阻r3与所述第四电阻r4之间，所述稳压二极管d3的正极与所述负电压连接，所述第三二极管d4的正极连接在所述第三电阻r3与所述第四电阻r4之间，所述第三二极管d4的负极与所述第五电阻r5的一端连接，所述电容c1的一端连接在所述第三二极管d4与所述第五电阻r5之间，所述电容c1的另一端与所述负电压连接；
15.所述参考电平模块包括电压基准芯片u1、第六电阻r6、第七电阻r7和第八电阻r8；
16.所述第六电阻r6的一端与正电压连接，所述第六电阻r6的另一端与第八电阻r8的一端连接，所述第八电阻r8的另一端与所述第七电阻r7的一端连接，所述第七电阻r7的另一端与所述负电压连接，所述电压基准芯片u1的第一引脚连接在所述第六电阻r6与所述第八电阻r8之间，所述电压基准芯片u1的第二引脚连接在所述第八电阻r8与所述第七电阻r7之间，所述电压基准芯片u1的第三引脚与所述负电压连接；
17.所述比较输出模块包括电压比较器u2和第九电阻r9；
18.所述电压比较器u2的两个电源引脚分别与所述正电压和所述负电压连接，所述电压比较器u2的正输入端与所述第五电阻r5的另一端连接，所述电压比较器u2的负输入端连接在所述第六电阻r6与所述第八电阻r8之间，所述电压比较器u2的输出端与所述第九电阻r9的一端连接，所述第九电阻r9的另一端与所述碳化硅驱动板u3的en引脚连接。
19.进一步地，所述碳化硅mosfet短路保护电路中，所述正电压为+5v。
20.进一步地，所述碳化硅mosfet短路保护电路中，所述负电压为-4v。
21.进一步地，所述碳化硅mosfet短路保护电路中，所述电压基准芯片u1稳定输出的电压值为2.5v。
22.进一步地，所述碳化硅mosfet短路保护电路中，所述第一电阻r1、第三电阻r3和第七电阻r7的电阻值为10k，所述第二电阻r2、第四电阻r4和第六电阻r6的电阻值为5.1k，所述第五电阻r5和所述第九电阻r9的电阻值为1k，所述第八电阻r8的电阻值为2k。
23.进一步地，所述碳化硅mosfet短路保护电路中，所述电容的电容值为27pf。
24.与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
25.本发明实施例提供的一种碳化硅mosfet短路保护电路，通过碳化硅mosfet驱动模块、碳化硅mosfet导通电压检测模块、分压取样模块、参考电平模块和比较输出模块的相互配合，可实现在碳化硅mosfet高开关频率下也能快速识别短路，并适应负电压基准，具有低成本、高可靠的特点，利于大范围市场推广。
附图说明
26.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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
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它的附图。
27.图1是本发明实施例提供的一种碳化硅mosfet短路保护电路的电路原理结构示意图；
28.图2是本发明实施例提供的碳化硅mosfet驱动模块的电路原理结构示意图；
29.图3是本发明实施例提供的碳化硅mosfet导通电压检测模块的电路原理结构示意图；
30.图4是本发明实施例提供的分压取样模块的电路原理结构示意图；
31.图5是本发明实施例提供的参考电平模块的电路原理结构示意图；
32.图6是本发明实施例提供的比较输出模块的电路原理结构示意图；
33.图7是本发明实施例提供的以-4v电源为零基准各点电压值的电路原理结构示意图；
34.图8是本发明实施例提供的触发短路保护时电压点的电路原理结构示意图。
具体实施方式
35.为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。
37.此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。
38.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
39.实施例一
40.有鉴于上述现有技术存在的缺陷，本技术人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以希望创设能够解决现有技术中缺陷的技术，使得碳化硅mosfet的短路保护的应用价值更高。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
41.请参考图1-8，本发明实施例提供的一种碳化硅mosfet短路保护电路具有低延时、高可靠、低成本的特点，该电路在碳化硅mosfet发生短路时，能有效监测并输出保护信号，该电路的保护原理是：依据碳化硅mosfet在导通的时候，管子的导通电阻rds(on)较小，其导通压降vds等于rds乘以通过的电流，当管子导通，非短路时，vds大约10v以下，但当发生短路时，由于电流极速增加，vds也极速上升，最终可达到母线电压大小，那么通过检测vds的电压，设置合适的过压点，当vds超过限值时，通过比较器就能出发保护信号的输出。该电路具体包括碳化硅mosfet驱动模块、碳化硅mosfet导通电压检测模块、分压取样模块、参考
电平模块和比较输出模块；其中，
42.所述碳化硅mosfet驱动模块包括碳化硅驱动板u3、主控板u4和第一电阻r1，如图2所示；
43.所述碳化硅驱动板u3的pwm引脚与所述主控板u4连接，所述碳化硅驱动板u3的s1引脚与第一碳化硅mosfet q1的源极连接，所述碳化硅驱动板u3的g1引脚与所述第一碳化硅mosfet q1的栅极连接，所述第一电阻r1的一端与所述碳化硅驱动板u3的s1引脚连接，所述第一电阻r1的另一端与所述碳化硅驱动板u3的g1引脚连接；所述第一碳化硅mosfet q1的源极与负母线bus-连接，所述第一碳化硅mosfet q1的漏极与第二碳化硅mosfet q2的源极连接，所述第二碳化硅mosfet q2的漏极与正母线bus+连接；
44.需要说明的是，所述主控板u4输入pwm信号到所述碳化硅驱动板u3，短路保护电路输入是否允许驱动的en信号。当关断碳化硅mosfet时，所述碳化硅驱动板u3的g1引脚输出是-4v电平；当开通时是高电平正15v，低电平-4v的pwm信号；所述碳化硅驱动板u3的输出端并联了所述第一电阻r1，作用是当碳化硅mosfet没有驱动信号来时，给gs提供了固定偏置，防止误开通，能有效防止mosfet误导通。
45.所述碳化硅mosfet导通电压检测模块包括第一二极管d1、第二二极管d2和第二电阻r2，如图3所示；
46.所述第一二极管d1的负极连接在所述第一碳化硅mosfet q1的漏极与第二碳化硅mosfet q2的源极之间，所述第一二极管d1的正极与所述第二二极管d2的正极连接，所述第二二极管d2的负极与所述第一碳化硅mosfet q1的栅极连接，所述第二电阻r2的一端连接在所述第一二极管d1的正极与所述第二二极管d2的正极之间，所述第二电阻r2的另一端与所述第一碳化硅mosfet q1的栅极连接；
47.需要说明的是，所述第一二极管d1为高耐压、管子寄生电容小、反向恢复快的二极管。当g1信号输出是-4v时，第一碳化硅mosfet q1关闭，二极管截止，不存在短路现象。当g1输出在+15v时，第一碳化硅mosfet q1导通，此时以s1为参考点，g1＝15v，通过第二电阻r2接在第一二极管d1的正极上，此时碳化硅mosfet的导通压降vds在10v以内，则第一二极管d1的正极电压大于负极电压，第一二极管d1导通。第一二极管d1导通时，第一二极管d1的正极的电压等于碳化硅mosfet的导通压降vds加上第一二极管d1的导通压降vd1，第一二极管d1的导通压降一般为固定值，一般为0.7v。检测到的vds，后面通过分压电阻，选取合适电压，送入比较器和设定的门限电压进行比较，超过限值，输出保护信号。
48.所述分压取样模块包括第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、稳压二极管d3、第三二极管d4和电容c1，如图4所示；
49.所述第三电阻r3的一端连接在所述第一二极管d1的正极与所述第二二极管d2的正极之间，所述第三电阻r3的另一端与所述第四电阻r4的一端连接，所述第四电阻r4的另一端与负电压(-4v)连接，所述稳压二极管d3的负极连接在所述第三电阻r3与所述第四电阻r4之间，所述稳压二极管d3的正极与所述负电压连接，所述第三二极管d4的正极连接在所述第三电阻r3与所述第四电阻r4之间，所述第三二极管d4的负极与所述第五电阻r5的一端连接，所述电容c1的一端连接在所述第三二极管d4与所述第五电阻r5之间，所述电容c1的另一端与所述负电压连接；
50.需要说明的是，检测到的电压通过第三电阻r3和第四电阻r4分压，通过第三二极
管d4，给电容c1充电，电容c1上得到电压值，就是采样电压值。采样电路中稳压二极管d3起到稳压作用，当分压到稳压二极管d3的正极的电压低于其稳压值时，稳压二极管d3不起作用。当分压到稳压二极管d3的正极的电压超过其稳压值时，其工作，并将正极电压稳定在稳压值上，其作用是，将电容c1的电压值限制在比较器允许的输入范围内。
51.所述参考电平模块包括电压基准芯片u1、第六电阻r6、第七电阻r7和第八电阻r8，如图5所示；
52.所述第六电阻r6的一端与正电压(+5v)连接，所述第六电阻r6的另一端与第八电阻r8的一端连接，所述第八电阻r8的另一端与所述第七电阻r7的一端连接，所述第七电阻r7的另一端与所述负电压连接，所述电压基准芯片u1的第一引脚连接在所述第六电阻r6与所述第八电阻r8之间，所述电压基准芯片u1的第二引脚连接在所述第八电阻r8与所述第七电阻r7之间，所述电压基准芯片u1的第三引脚与所述负电压连接；
53.需要说明的是，所述参考电平模块为所述电压比较器u2提供参考电压。所述电压基准芯片u1稳定输出电压值2.5v，即所述电压基准芯片u1的第三引脚(即3脚)和第二引脚(即2脚)间电压为2.5v，即所述第七电阻r7上的电压为2.5v，由电阻分压可算出第八电阻r8上的电压为0.5v，即所述电压基准芯片u1的第一引脚(即1脚)和第三引脚(即3脚)间的电压为3v。
54.所述比较输出模块包括电压比较器u2和第九电阻r9，如图6所示；
55.所述电压比较器u2的两个电源引脚分别与所述正电压和所述负电压连接，所述电压比较器u2的正输入端与所述第五电阻r5的另一端连接，所述电压比较器u2的负输入端连接在所述第六电阻r6与所述第八电阻r8之间，所述电压比较器u2的输出端与所述第九电阻r9的一端连接，所述第九电阻r9的另一端与所述碳化硅驱动板u3的en引脚连接。
56.需要说明的是，当电容c1的电压值大于参考电压的电平，所述电压比较器u2输出高电平，所述碳化硅驱动板u3输出-4v的低电平，封波，起到保护碳化硅mosfet的作用。
57.其中，所述第一电阻r1、第三电阻r3和第七电阻r7的电阻值为10k，所述第二电阻r2、第四电阻r4和第六电阻r6的电阻值为5.1k，所述第五电阻r5和所述第九电阻r9的电阻值为1k，所述第八电阻r8的电阻值为2k。
58.所述电容的电容值为27pf。
59.在本实施例中，当mosfet正常导通时，碳化硅mosfet的vds为5.2v,检测二极管d1的导通压降为0.7v，则此时，第一二极管d1的正极的电压为5.9v。此电压是以s1为参考电压，为便于后面计算，本发明将转换成以-4v为参考零电压点，则相对于-4v，第一二极管d1的正极的电压为9.9v，电阻接的电压为9v，电压比较器u2的电源为0和9v，如图7所示，以-4v电源为零基准各点电压值。
60.通过第三电阻r3、第四电阻r4分压后，第三二极管d4的正极分到的电压为9.9*(5.1/5.1+10)＝3.34v。通过第三二极管d4的管压降0.7v后，电容c1的电压为3.34-0.7＝2.64v。
61.所述电压基准芯片u1使用的型号为tl431，它的2脚输出基准电压2.5v，通过第七电阻r7和第八电阻r8分压可得到参考电压为vref＝2.5/(1+2/10)＝3v。
62.所述电压比较器u2的正输入端接的是电容c1，其电压为2.64v，参考电压3v接电压比较器u2的负输入端，则输出是低电平。
63.当碳化硅mosfet短路时，vds触发短路保护的电压可通过反推计算，如图8所示，当碳化硅mosfet的vds电压为10.25v时，触发短路保护。
64.尽管本文中较多的使用了碳化硅mosfet驱动模块、碳化硅mosfet导通电压检测模块、分压取样模块、参考电平模块和比较输出模块等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
65.本发明实施例提供的一种碳化硅mosfet短路保护电路，通过碳化硅mosfet驱动模块、碳化硅mosfet导通电压检测模块、分压取样模块、参考电平模块和比较输出模块的相互配合，可实现在碳化硅mosfet高开关频率下也能快速识别短路，并适应负电压基准，具有低成本、高可靠的特点，利于大范围市场推广。
66.至此，以说明和描述的目的提供上述实施例的描述。不意指穷举或者限制本公开。特定的实施例的单独元件或者特征通常不受到特定的实施例的限制，但是在适用时，即使没有具体地示出或者描述，其可以互换和用于选定的实施例。在许多方面，相同的元件或者特征也可以改变。这种变化不被认为是偏离本公开，并且所有的这种修改意指为包括在本公开的范围内。
67.提供示例实施例，从而本公开将变得透彻，并且将会完全地将该范围传达至本领域内技术人员。为了透彻理解本公开的实施例，阐明了众多细节，诸如特定零件、装置和方法的示例。显然，对于本领域内技术人员，不需要使用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，而且两者都不应当解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，不对公知的工序、公知的装置结构和公知的技术进行详细地描述。
68.在此，仅为了描述特定的示例实施例的目的使用专业词汇，并且不是意指为限制的目的。除非上下文清楚地作出相反的表示，在此使用的单数形式“一个”和“该”可以意指为也包括复数形式。术语“包括”和“具有”是包括在内的意思，并且因此指定存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或额外地具有一个或以上的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指示了执行的次序，在此描述的该方法步骤、处理和操作不解释为一定需要按照所论述和示出的特定的次序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或者可选择的步骤。
69.当元件或者层称为是“在
……
上”、“与
……
接合”、“连接到”或者“联接到”另一个元件或层，其可以是直接在另一个元件或者层上、与另一个元件或层接合、连接到或者联接到另一个元件或层，也可以存在介于其间的元件或者层。与此相反，当元件或层称为是“直接在
……
上”、“与
……
直接接合”、“直接连接到”或者“直接联接到”另一个元件或层，则可能不存在介于其间的元件或者层。其他用于描述元件关系的词应当以类似的方式解释(例如，“在
……
之间”和“直接在
……
之间”、“相邻”和“直接相邻”等)。在此使用的术语“和/或”包括该相关联的所罗列的项目的一个或以上的任一和所有的组合。虽然此处可能使用了术语第一、第二、第三等以描述各种的元件、组件、区域、层和/或部分，这些元件、组件、区域、层和/或部分不受到这些术语的限制。这些术语可以只用于将一个元件、组件、区域或部分与另一个元件、组件、区域或部分区分。除非由上下文清楚地表示，在此使用诸如术语“第一”、“第二”及其他数值的术语不意味序列或者次序。因此，在下方论述的第一元件、组件、区域、层或者部分可以采用第二元件、组件、区域、层或者部分的术语而不脱离该示例实施
例的教导。
70.空间的相对术语，诸如“内”、“外”、“在下面”、“在
……
的下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，在此可出于便于描述的目的使用，以描述如图中所示的一个元件或者特征和另外一个或多个元件或者特征之间的关系。空间的相对术语可以意指包含除该图描绘的取向之外该装置的不同的取向。例如如果翻转该图中的装置，则描述为“在其他元件或者特征的下方”或者“在元件或者特征的下面”的元件将取向为“在其他元件或者特征的上方”。因此，示例术语“在
……
的下方”可以包含朝上和朝下的两种取向。该装置可以以其他方式取向(旋转90度或者其他取向)并且以此处的空间的相对描述解释。