一种基于绝缘体上硅芯片的高温驱动保护电路的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于绝缘体上硅芯片的高温驱动保护电路。

背景技术：

碳化硅半导体器件具有开关速度高、关断耐压高、温度耐受高的卓越特性，极其适合高温环境下的电力电子应用。随着制造工艺的快速发展，器件高压耐受能力、开关速度已经得到了飞跃式的提升，器件高温工作能力开始成为研究的焦点，相信高温器件也将迅速出现。

现有碳化硅器件中，以场效应管最为适合高温环境下的应用，为了充分利用碳化硅功率场效应管的高温工作潜力，需要能够同样用于高温环境的驱动保护电路配合工作。然而，由于碳化硅集成电路技术尚未成熟，现今市场上并无碳化硅集成电路产品，少有的工程原型功能极其有限且耗资巨大，驱动保护电路的构建仍无法采用碳化硅绝缘栅场效应管技术。由于基于传统技术硅集成电路的驱动保护电路仅为85摄氏度，无法在高于85摄氏度的环境温度下工作，更无法配合碳化硅功率绝缘栅场效应工作高于150摄氏度的环境温度中。因此需要提供一种高温驱动保护电路，使高温碳化硅功率场效应管得到良好的驱动和保护。

技术实现要素：

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种基于绝缘体上硅芯片的高温驱动保护电路。

本发明的技术方案是：

所述高温驱动保护电路包括饱和监测电路，以及依次连接的隔离电路、PWM脉冲调理电路、保护逻辑电路和驱动电路；

所述驱动电路的输出端分别与碳化硅绝缘栅场效应管器件的栅极端子和源极端子连接；

所述饱和监测电路包括第一输入端、第二输入端和输出端；所述第一输入端与PWM脉冲调理电路的输出端连接，第二输入端与所述碳化硅绝缘栅场效应管器件的漏极端子连接，输出端分别与所述隔离电路和保护逻辑电路连接。

优选的，所述隔离电路包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；

所述第一输入端与碳化硅绝缘栅场效应管器件的控制回路连接，用于接收所控制回路输 出的PWM脉冲信号；

所述第一输出端分别与所述PWM脉冲调理电路的输入端和所述驱动电路的输出端连接，向PWM脉冲调理电路和驱动电路发送所述PWM脉冲信号；

所述第二输入端与所述饱和监测电路连接，当碳化硅绝缘栅场效应管器件进入过流饱和状态时，接收饱和监测电路发送的Saturation FLT信号；

所述第二输出端也与所述控制回路连接，向其发送所述Saturation FLT信号；

优选的，所述隔离电路采用绝缘体上芯片组CHT-RHEA；

优选的，所述PWM脉冲调理电路包括第一与门电路、第二与门电路，以及串联连接的第一反相器和第二反相器，串联连接的第三反相器和第四反相器；

所述第一反相器的输入端与第二与门电路的输入端连接，输出端与第一与门电路的输入端连接；第一与门电路的输出端与第三反相器连接；

所述第二反相器的输出端分别与第一与门电路和第二与门电路的输入端连接；

所述四反相器的输出端与所述保护逻辑电路连接，输出Periodically Reset信号，用于在每个PWM脉冲信号的周期对保护逻辑电路进行复位；

所述第二与门电路的输出端与所述饱和监测电路连接，输出Detection Enable信号，用于控制所述饱和监测电路开始工作或者停止工作；

优选的，所述第一反相器、第二反相器、第三反相器和第四反相器均采用绝缘体上芯片组CHT-7404；所述第一与门电路和第二与门电路均采用绝缘体上芯片组CHT-7408；

优选的，所述保护逻辑电路包括第一二极管、第二二极管、第一反相器和第二反相器；

所述第一二极管的阴极与第一反相器的输入端连接，阳极分别与隔离电路和饱和监测电路连接；

所述第二二极管的阴极与第二反相器的输入端连接，阳极与PWM脉冲调理电路连接；

所述第一反相器的输入端与第二反相器的输出端连接，第一反相器的输出端与驱动电路连接，向其输出PWM Enable信号，用于控制驱动电路对PWM脉冲信号进行响应；

所述第二反相器的输入端与第一反相器的输出端连接，第二反相器的输出端也与驱动电路连接，向其输出Soft Turn-off信号，用于控制驱动电路进行软关断操作；

优选的，所述第一反相器和第二反相器均采用绝缘体上芯片组CHT-7404；

优选的，所述驱动电路包括半桥驱动器、第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管；

所述半桥驱动器的输入端接收所述保护逻辑电路连接发送的PWM Enable信号，输出端分别与第一场效应管的栅极和第二场效应管的栅极连接；

所述第一场效应管的源极与所述碳化硅绝缘栅场效应管器件的栅极端子连接；

所述第二场效应管的漏极也与所述碳化硅绝缘栅场效应管器件的栅极端子连接；

所述第三场效应管的栅极接收保护逻辑电路发送的Soft Turn-off信号，漏极连接于第二场效应管的漏极与所述栅极端子之间，源极接地；

优选的，所述半桥驱动器采用绝缘体上芯片CHT-HYPERION，第一场效应管和第二场效应管均采用绝缘体上硅场效应管CHT-MOON，第三场效应管采用绝缘体上硅场效应管CHT-NMOS4005；

优选的，所述饱和监测电路包括比较器；

所述比较器的一个输入端与所述碳化硅绝缘栅场效应管器件的漏极端子连接，采集漏极端子电压；另一个输入端接入参考电压；输出端分别所述隔离电路和保护逻辑电路连接，输出Saturation FLT信号；

当所述漏极端子电压大于参考电压时，Saturation FLT信号为高电平；

所述比较器采用绝缘体上芯片CHT-VOLGA。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明提供的一种基于绝缘体上硅芯片的高温驱动保护电路，充分利用绝缘体上芯片的高温性能，实现了无需使用额外的制冷模块就可以工作在高温环境下的碳化硅绝缘栅场效应管器件高温驱动保护电路，极其适用于高温环境下对于碳化硅绝缘栅场效应管器件的驱动保护；

2、本发明提供的一种基于绝缘体上硅芯片的高温驱动保护电路，有效保证了碳化硅绝缘栅场效应管器件的控制回路与功率回路的电气隔离，为大功率的碳化硅绝缘栅场效应管器件提供了充足的驱动电流，能够有效的监测碳化硅绝缘栅场效应管器件过流故障并且做出保护动作使其在损坏之前关断。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种基于绝缘体上硅芯片的高温驱动保护电路结构示意图；

图2：本发明实施例中隔离电路结构示意图；

图3：本发明实施例中PWM脉冲调理电路图；

图4：本发明实施例中饱和监测电路图；

图5：本发明实施例中保护逻辑电路图；

图6：本发明实施例中驱动电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种基于绝缘体上硅芯片的高温驱动保护电路，灵活运用现有的高温绝缘体上芯片，改变传统驱动保护电路无法在高温工作的现状，使得碳化硅绝缘栅场效应管器件的驱动保护电路，如碳化硅场效应管，可以同碳化硅绝缘栅场效应管器件一同在高温中工作。

本发明中一种基于绝缘体上硅芯片的高温驱动保护电路的实施例如图1所示，具体为：

该高温驱动保护电路的输入信号为碳化硅绝缘栅场效应管器件的控制回路输出的PWM脉冲信号，输出信号为Saturation FLT信号。其主要电路结构包括隔离电路、PWM脉冲调理电路、保护逻辑电路、驱动电路和饱和监测电路。其中，

隔离电路、PWM脉冲调理电路、保护逻辑电路和驱动电路依次连接；驱动电路的输出端分别与碳化硅绝缘栅场效应管器件的栅极端子和源极端子连接；

饱和监测电路包括第一输入端、第二输入端和输出端；第一输入端与PWM脉冲调理电路的输出端连接，第二输入端与碳化硅绝缘栅场效应管器件的漏极端子连接，输出端分别与隔离电路和保护逻辑电路连接。

1、隔离电路

该隔离电路为碳化硅绝缘栅场效应管器件的控制回路与高温驱动保护电路的信号电气隔离电路，传输PWM脉冲信号和Saturation FLT信号。如图2所示，

如图1所示，隔离电路包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端。其中，

第一输入端与碳化硅绝缘栅场效应管器件的控制回路连接，用于接收碳化硅绝缘栅场效应管器件的控制回路输出的PWM脉冲信号；

第一输出端分别与PWM脉冲调理电路的输入端和驱动电路的输出端连接，向PWM脉冲调理电路和驱动电路发送上述PWM脉冲信号；

第二输入端与饱和监测电路连接，当碳化硅绝缘栅场效应管器件进入过流饱和状态时，接收饱和监测电路发送的Saturation FLT信号；

第二输出端与碳化硅绝缘栅场效应管器件的控制回路连接，用于向碳化硅绝缘栅场效应 管器件的控制回路发送上述Saturation FLT信号。

本实施例中，

①：PWM脉冲信号指的是脉宽调制脉冲信号(Pulse Width Modulation，PWM)，是用来控制碳化硅场效应管开通与关断的信号；

②：Saturation FLT信号指的是饱和故障信号，是用来表示碳化硅场效应管进入过流饱和状态的信号。

如图2所示，本实施例中隔离电路采用绝缘体上芯片组CHT-RHEA。

2、PWM脉冲调理电路

该PWM脉冲调理电路对接收到的PWM脉冲信号进行整形，得到满足饱和监测电路和保护逻辑电路需要的信号，即Detection Enable信号和Periodically Reset信号。

如图3所示，PWM脉冲调理电路包括第一与门电路、第二与门电路，以及串联连接的第一反相器和第二反相器，串联连接的第三反相器和第四反相器。其中，

第一反相器的输入端与第二与门电路的输入端连接，输出端与第一与门电路的输入端连接；第一与门电路的输出端与第三反相器连接；

第二反相器的输出端分别与第一与门电路和第二与门电路的输入端连接；

四反相器的输出端与所述保护逻辑电路连接，输出Periodically Reset信号。

第二与门电路的输出端与所述饱和监测电路连接，输出Detection Enable信号。

本实施例中上述第一反相器、第二反相器、第三反相器和第四反相器均采用绝缘体上芯片组CHT-7404；第一与门电路和第二与门电路均采用绝缘体上芯片组CHT-7408。

本实施例中，

①：Periodically Reset信号指的是周期性复位信号，是用来在每个PWM脉冲周期对于保护逻辑电路进行复位的信号；

②：Detection Enable信号指的是监测使能信号，是控制饱和监测电路工作起止的信号。

3、保护逻辑电路

该保护逻辑电路依据Periodically Reset信号和Saturation FLT信号，判断碳化硅绝缘栅场效应管器件是否需要进行断开保护。

如图5所示，保护逻辑电路包括第一二极管、第二二极管、第一反相器和第二反相器。其中，

第一二极管的阴极与第一反相器的输入端连接，阳极分别与隔离电路和饱和监测电路连接；

第二二极管的阴极与第二反相器的输入端连接，阳极与PWM脉冲调理电路连接；

第一反相器的输入端与第二反相器的输出端连接，第一反相器的输出端与驱动电路连接，向其输出PWM Enable信号。

第二反相器的输入端与第一反相器的输出端连接，第二反相器的输出端也与驱动电路连接，向其输出Soft Turn-off信号。

本实施例中上述第一反相器和第二反相器均采用绝缘体上芯片组CHT-7404。

本实施例中，

①：PWM Enable信号指的是PWM输出使能信号，是控制驱动电路对PWM信号响应的信号；

②：Soft Turn-off信号指的是软关断信号，是控制驱动电路进行软关断操作的信号。

4、驱动电路

该驱动电路正常工作时将接收到的PWM脉冲信号转换为PWM驱动信号输出至碳化硅绝缘栅场效应管器件进行驱动，进入故障状态时关断PWM驱动信号的输出，并在Soft Turn-off信号驱动下对碳化硅绝缘栅场效应管器件进行关断。

如图6所示，驱动电路包括半桥驱动器、第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管。其中，

半桥驱动器的输入端接收保护逻辑电路连接发送的PWM Enable信号，输出端分别与第一场效应管的栅极和第二场效应管的栅极连接；

第一场效应管的源极与碳化硅绝缘栅场效应管器件的栅极端子连接；

第二场效应管的漏极也与碳化硅绝缘栅场效应管器件的栅极端子连接；

第三场效应管的栅极接收保护逻辑电路发送的Soft Turn-off信号，漏极连接于第二场效应管的漏极与所述栅极端子之间，源极接地。

本实施例中上述半桥驱动器采用绝缘体上芯片CHT-HYPERION，第一场效应管和第二场效应管均采用绝缘体上硅场效应管CHT-MOON，第三场效应管采用绝缘体上硅场效应管CHT-NMOS4005。

本实施例中驱动电路的工作过程为：

半桥驱动器将接收到的PWM脉冲信号转换为驱动信号，并将该驱动信号分别发送到第一场效应管和第二场效应管。第一场效应管的源极通过电阻R15接入碳化硅绝缘栅场效应管器件的栅极，第二场效应管的漏极经过电阻R16也接入碳化硅绝缘栅场效应管器件的栅极，从而驱动碳化硅绝缘栅场效应管器件的栅极。当碳化硅绝缘栅场效应管器件发生过流饱和时， 第三场效应管在Soft Turn-off信号的驱动下导通，则与第三场效应管相连的电阻R14对碳化硅绝缘栅场效应管器件的栅极进行放电，从而使得碳化硅绝缘栅场效应管器件关断。

5、饱和监测电路

该饱和监测电路通过漏极端子监测碳化硅绝缘栅场效应管器件的工作情况，在碳化硅绝缘栅场效应管器件饱和时发出Saturation FLT信号。

如图4所示，饱和监测电路包括比较器。其中，

比较器的一个输入端与碳化硅绝缘栅场效应管器件的漏极端子连接，采集漏极端子电压；另一个输入端接入参考电压；比较器的输出端分别隔离电路和保护逻辑电路连接，向隔离电路和保护逻辑电路输出Saturation FLT信号；

当漏极端子电压大于参考电压时，Saturation FLT信号为高电平。

本实施例中，比较器采用绝缘体上芯片CHT-VOLGA。

本发明提供的一种基于绝缘体上硅芯片的高温驱动保护电路，与传统碳化硅绝缘栅场效应管器件的驱动保护装置相比，利用了绝缘体上芯片的高温性能，可运行在高于200摄氏度的高温环境中，远高于传统驱动保护装置工作温度的上限，即85摄氏度。同时，有效保证了碳化硅绝缘栅场效应管器件的控制回路与功率回路的电气隔离，为大功率碳化硅绝缘栅场效应管器件提供足够的驱动电流，能够有效的监测碳化硅绝缘栅场效应管器件是否发生过流故障并做出保护动作，使其在损坏之前关断。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。