一种短路退饱和动态检测电路、装置及系统的制作方法

1.本技术涉及检测电路领域，具体涉及一种短路退饱和动态检测电路、装置及系统。


背景技术：

2.现有轨道交通车辆用功率模块的igbt/sic mosfet器件驱动短路保护技术，一般利用器件短路时来检测其退饱和电压值，从而判断器件是否短路。但是存在不能够对功率器件集电极或者漏极的端子开路进行检测、高压二极管的结电容很大，响应时间很慢等问题。且随着功率半导体技术的发展，大功率sic mosfet器件应用也越来约广泛，sic器件价格昂贵，且sic mosfet短路耐受能力弱，因此不但要求具备漏极开路保护能力、也要求具备快速的短路检测能力，现有技术用器件短路时来检测其退饱和电压值，从而判断器件是否短路的方案存在缺陷。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题的至少一个，本技术一方面提供一种碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测电路，包括：
4.分压输出模块，其输入端耦接待测的所述碳化硅场效应晶体管的漏极，输出端输出所述漏极的电压分压；
5.故障信号生成模块，与所述分压输出模块并联耦接在所述漏极上，并基于所述漏极的故障状态生成故障信号；以及
6.检测模块，基于所述漏极的电压分压和所述故障信号检测所述碳化硅场效应晶体管是否处于短路退饱和状态。
7.在某些实施例中，所述检测模块包括：
8.多个第一比较器，每个比较器的一输入端与所述分压输出模块的输出端耦接，另一输入端与一第一设定阈值电压输出端耦接，每个所述第一设定阈值电压各不相同；
9.多个第一与电路，与所述多个第一比较器一一对应，每个第一与电路的一输入端耦接所述第一比较器的输出端，另一输入端耦接一第一高电平脉冲信号线，每个第一高电平脉冲信号线每隔第一预设时长产生一高电平脉冲，每个第一高电平脉冲信号线对应的第一预设时长各不相同；
10.一第二比较器，其一输入端与所述故障信号生成模块的输出端耦接，另一输入端与一第二设定阈值电压输出端耦接；
11.第二与电路，其一输入端与所述第二比较器的输出端耦接，另一输入端与一第二高电平脉冲信号线耦接，所述第二高电平脉冲信号线每隔第二预设时长产生一高电平脉冲；以及
12.运算电路，与每个第一与电路和所述第二与电路的输出端耦接，用于输出是否短路故障的判定信号。
13.在某些实施例中，分压输出模块，包括：
14.分压电阻链，包括多个串联的分压电阻，所述分压电阻链的头端与所述漏极耦接，尾端与一接地端耦接；以及
15.引线，其一端耦接在所述分压电阻链靠近所述尾端的两个分压电阻之间的导线上，另一端作为所述分压输出模块的输出端。
16.在某些实施例中，所述分压输出模块，还包括：
17.两个第一限压二极管，其中一个第一限压二极管的正极耦接在所述引线上，负极耦接在一第一高电平电压线上，其中另一个第一限压二极管的负极耦接在所述引线上，正极耦接在所述接地端上。
18.在某些实施例中，所述分压输出模块，还包括：
19.位于所述引线上的滤波电阻；和/或，
20.耦接在所述引线和所述接地端之间的滤波电容。
21.在某些实施例中，所述故障信号生成模块，包括：
22.二极管链，其包括多个串联的二极管，其负极端耦接所述漏极，正极端作为所述故障信号生成模块的输出端。
23.在某些实施例中，所述故障信号生成模块，还包括：
24.两个第二限压二极管，其中一个第二限压二极管的正极耦接在所述二极管链的输出导线上，负极耦接在一第二高电平电压线上，其中另一个第二限压二极管的负极耦接在所述二极管链的输出导线上，正极耦接在所述接地端上。
25.在某些实施例中，所述故障信号生成模块，还包括：
26.限流电阻，其一端与所述第二高电平电压线耦接，另一端耦接在所述二极管链的输出导线上。
27.本技术另一方面提供一种碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测装置，包括如上所述的碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测电路；
28.所述碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测电路包括：
29.分压输出模块，其输入端耦接待测的所述碳化硅场效应晶体管的漏极，输出端输出所述漏极的电压分压；
30.故障信号生成模块，与所述分压输出模块并联耦接在所述漏极上，并基于所述漏极的故障状态生成故障信号；以及
31.检测模块，基于所述漏极的电压分压和所述故障信号检测所述碳化硅场效应晶体管是否处于短路退饱和状态。
32.本技术的又一方面提供一种碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测系统，包括：
33.待测的碳化硅场效应晶体管，其包括一漏极；以及碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测电路，所述碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测电路包括：
34.分压输出模块，其输入端耦接待测的所述碳化硅场效应晶体管的漏极，输出端输出所述漏极的电压分压；
35.故障信号生成模块，与所述分压输出模块并联耦接在所述漏极上，并基于所述漏极的故障状态生成故障信号；以及
36.检测模块，基于所述漏极的电压分压和所述故障信号检测所述碳化硅场效应晶体
管是否处于短路退饱和状态。
37.本技术的有益效果如下：
38.本技术提供一种短路退饱和动态检测电路、装置及系统，采用串联电阻链和串联二极管链相结合的方式，通过设置多种保护阈值和保护时间，使得本技术既能具备快速检测短路能力，也具备检测漏极端子开路能力，同时还能具备多级保护，使得保护更为可靠，对于sic mosfet一类高价格、短路耐受能力差的新型功率器件更为适用。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，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他的附图。在附图中：
40.图1是本技术一个实施例提供的现有技术的短路退饱和动态检测电路的模块结构示意图。
41.图2是本技术另一个实施例提供的短路退饱和动态检测电路中分压输出模块的具体结构示意图。
42.图3是本技术另一个实施例提供的短路退饱和动态检测电路中串联二极管链检测模块的具体结构示意图。
43.图4是本技术另一个实施例提供的检测模块结构示意图。
具体实施方式
44.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本技术实施例做进一步详细说明。在此，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，但并不作为对本技术的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
45.本技术实用新型人首先提出采用电阻链和二极管链进行结合检测的方式，实用新型人发现，采用电阻分压的方式，退饱和电压检测响应时间较快，缺点是不能够对功率器件集电极或者漏极的端子开路进行检测；采用高压二极管链的方式，可以对集电极或者漏极的端子开路进行检测，但是缺点是高压二极管的结电容很大，响应时间很慢。在发现上述两种检测方式之后进一步将两种检测方式结合，进而可以起到相互协同的效果。
46.本技术提供一种短路退饱和动态检测电路，如图1所示，包括：
47.分压输出模块1，其输入端耦接待测的所述碳化硅场效应晶体管的漏极，输出端输出所述漏极的电压分压；
48.故障信号生成模块2，与所述分压输出模块并联耦接在所述漏极上，并基于所述漏极的故障状态生成故障信号；以及
49.检测模块3，基于所述漏极的电压分压和所述故障信号检测所述碳化硅场效应晶体管是否处于短路退饱和状态。
50.本技术提供一种短路退饱和动态检测电路，采用串联电阻链和串联二极管链相结合的方式，通过设置多种保护阈值和保护时间，使得本技术既能具备快速检测短路能力，也
具备检测漏极端子开路能力，同时还能具备多级保护，使得保护更为可靠，对于碳化硅场效应晶体管一类高价格、短路耐受能力差的新型功率器件更为适用。
51.在本技术中，本技术提出的电路技术方案由：分压输出模块1、串联高压二极管链检测模块2、检测模块3三部分共同构成。检测电路采用“串联电阻链电路+串联高压二极管电路”结合的方式来检测碳化硅场效应晶体管漏极退饱和电压。分压输出模块，通过电阻链来对sic漏极电压进行分压发送给后级检测模块。串联高压二极管链检测模块，利用二极管单相导通特性直接对sic漏极电压进行检测并发送给后级检测模块。检测模块，通过上述检测电路产生的电压信号，分别与不同的保护阈值进行比较，从而产生不同的比较输出值，并针对不同的比较输出值分别设定不同的检测时间，进行或运算产生故障保护组合逻辑。
52.下面结合图2至图4对本技术进行详细说明。
53.如图2所示，所述分压输出模块，包括：
54.分压电阻链，包括多个串联的分压电阻(r1-rn)，所述分压电阻链的头端(靠近r1的一端)与所述漏极(图2中sic的d端，可以知晓，sic的源极s端接地设置，即与图2中的gnd1耦接，栅极g耦接源极s和漏极d)耦接，尾端(靠近rn的一端)与一接地端gnd2耦接；以及
55.引线m，其一端耦接在所述分压电阻链靠近所述尾端的两个分压电阻(rn-1和rn)之间的导线上，另一端作为所述分压输出模块的输出端，输出vresis信号。具体的，选取rn-1与rn之间的分压作为最终的输出分压，在具体使用时，sic器件正常开通时，其漏极d电压值随着开通动作的执行而渐渐下降进入饱和区，这期间一旦有短路情况发生，漏极电压将退出饱和区，漏极电压将快速攀升，因此输出的分压也随之攀升。
56.在优选的实施例中，所述分压输出模块，还包括：
57.两个第一限压二极管(图2中的vd11和vd12)，其中一个第一限压二极管vd11的正极耦接在所述引线上，负极耦接在一第一高电平电压线vcc1上，其中另一个第一限压二极管vd12的负极耦接在所述引线上，正极耦接在所述接地端gnd2上。
58.本实施例中，通过两个第一限压二极管以及第一高电平电压线可以对输出分压进行限压，具体使用时，如果输出分压高于vcc1，则vd11导通，电压将随着vd11被vcc1拉低，如果输出分压小于vcc1，则vd11不导通，vd12用于输出分压电压过大时被击穿，进而使得大电压接地，起到保护电路的作用。
59.在优选的实施例中，所述分压输出模块，还包括：位于所述引线上的滤波电阻rf；和/或，耦接在所述引线和所述接地端gnd2之间的滤波电容cf。
60.本技术中滤波电阻和滤波电容均为滤波功能，在此不做赘述。本实施例中所得的分压结果经过所述第一限压二极管vd11、vd12限压、rf、cf滤波产生vresis电压信号。
61.进一步的，在本技术实施例中，所述故障信号生成模块，包括：
62.二极管链，其包括多个串联的二极管(图3中的d1-dn)，其负极端(d1的负极)耦接所述漏极，正极端(dn的正极)作为所述故障信号生成模块的输出端。
63.本实施例中所述串联高压二极管链检测模块，利用二极管单向导通特性，当sic漏极电压退出饱和区的时候，二极管不导通，vdiode电压信号基本维持在vcc水平；当sic漏极电压进入饱和区的时候，二极管导通，产生一个较小的vdiode电压信号。
64.串联高压二极管链检测电路检测漏极开路的机理：当sic漏极端子开路时，所述高压二极管将无法导通，因此vdiode电压信号将一直维持在vcc水平，这个值在所述故障保护
组合逻辑电路一直代表故障信号，从而检测到漏极开路故障。
65.在实际应用中，图2和图3电路的碳化硅场效应晶体管器件共用，即所述分压输出模块和串联高压二极管链检测模块将并联在同一碳化硅场效应晶体管漏极使用。
66.基于相似的限压原理，本技术实施例中所述故障信号生成模块，还包括：
67.两个第二限压二极管(图3中的vd21和vd22)，其中一个第二限压二极管vd21的正极耦接在所述二极管链的输出导线上，负极耦接在一第二高电平电压线vcc2上，其中另一个第二限压二极管vd22的负极耦接在所述二极管链的输出导线上，正极耦接在所述接地端gnd3上。
68.需要说明的是，gnd1、gnd2以及gnd3可以为同一接地端，本技术不做限制。
69.在优选的实施例中所述故障信号生成模块，还包括：
70.限流电阻rm，其一端与所述第二高电平电压线vcc2耦接，另一端耦接在所述二极管链的输出导线上。
71.下面本技术对所述检测模块进行详细说明，在本技术中，如图4所示，所述检测模块包括：
72.多个第一比较器31，每个比较器的一输入端与所述分压输出模块的输出端耦接，另一输入端与一第一设定阈值电压输出端耦接，每个所述第一设定阈值电压各不相同；
73.多个第一与电路32，与所述多个第一比较器一一对应，每个第一与电路的一输入端耦接所述第一比较器的输出端，另一输入端耦接一第一高电平脉冲信号线，每个第一高电平脉冲信号线每隔第一预设时长产生一高电平脉冲，每个第一高电平脉冲信号线对应的第一预设时长各不相同；
74.一第二比较器33，其一输入端与所述故障信号生成模块的输出端耦接，另一输入端与一第二设定阈值电压输出端耦接；
75.第二与电路34，其一输入端与所述第二比较器的输出端耦接，另一输入端与一第二高电平脉冲信号线耦接，所述第二高电平脉冲信号线每隔第二预设时长产生一高电平脉冲；以及
76.运算电路35，与每个第一与电路和所述第二与电路的输出端耦接，用于输出是否短路故障的判定信号。
77.该实施例中，所述串联电阻链检测电路和串联高压二极管链检测电路产生的vresis和vdiode电压信号将作为本模块的输入信号，经过内部逻辑，产生fault输出信号，代表碳化硅场效应晶体管是否产生短路故障。
78.具体的，经过内部逻辑，产生fault输出信号，代表碳化硅场效应晶体管是否产生短路故障的处理过程如下：
79.vresis信号和设定阈值vref1进行比较，产生的比较值和设定的保护时间t1相与。此为第一个比较阈值，该阈值可设定相对最高，t1时间可设置相对最短，从而保证快速检测漏极电压。
80.具体的，保护时间t的设置，可以通过累加计数器计到预设的时间，则产生的一个高电平脉冲信号，作为所述与电路的输入。
81.以此类推，可以通过设定n个阈值vrefn，来动态检测漏极电压。每个阈值vref依次减小，有vref1》vref2》...》vrefn；每个保护时间t依次增大，有t1《t2《...tn。从而保证在不
同时间段对不同阈值进行比较，动态检测漏极电压。具体的值需要根据sic器件正常开通时漏极电压进入饱和区的曲线特性设置。这期间一旦有短路情况发生，漏极电压将退出饱和区，漏极电压将快速攀升。
82.vdiode信号和设定阈值vref_diode进行比较，该阈值最低。产生的比较值和设定保护时间tdiode相与，由于结电容的原因，vdiode信号最慢，因此tdiode值设置也最大。
83.因此有vref1》vref2》...》vrefn》vdiode，t1《t2《...tn《tdiode；用来检测漏极电压最后一段状态以及漏极是否开路。
84.上述每个相与的结果进行或逻辑运算，产生最终fault信号，用以判断是否产生短路故障。
85.sic器件正常开通时，其漏极d电压值随着开通动作的执行而渐渐下降进入饱和区，饱和区电压很低，一般为3-4v。这期间一旦有短路情况发生，漏极电压将退出饱和区，漏极电压将快速攀升至母线电压(上百甚至上千v)。利用这一特性，在sic器件开通时，通过外部检测电路实时检测漏极d电压，并于预先设定好的阈值作比较，从而判断期间是否发生短路。
86.当sic器件正常开通时，利用所述串联电阻链检测电路和串联高压二极管链检测电路检测sic器件漏极电压并经电路处理产生得到vresis和vdiode电压信号，上述信号将作为故障组合逻辑电路的输入信号，vresis信号分别和n个设定的不同的比较阈值通过比较器得到的结果，再分别与设定好的n个时间t值相与；vdiode信号与最小的比较阈值通过比较器得到结果，再与设定好的最大的时间tdiode相与。上述n+1个相与产生的结果最终通过所述35多输入或门电路相或，即任一经过所述与电路32或34产生的true信号，都会导致或运算电路产生fault信号，代表碳化硅场效应晶体管发生短路故障。
87.显然，本领域技术人员明了，本技术中的保护时间t可以利用高电平脉冲信号触发，例如设定保护时间t为10s，则在第10s时产生高电平脉冲。
88.显然通过上述描述可知，本技术采用串联电阻链和串联二极管链相结合的方式，通过设置多种保护阈值和保护时间，使得本技术既能具备快速检测短路能力，也具备检测漏极端子开路能力，同时还能具备多级保护，使得保护更为可靠，对于碳化硅场效应晶体管一类高价格、短路耐受能力差的新型功率器件更为适用。
89.进一步的，在本技术的实施例中提供一种碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测装置，包括如上所述的碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测电路；
90.所述碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测电路包括：
91.分压输出模块，其输入端耦接待测的所述碳化硅场效应晶体管的漏极，输出端输出所述漏极的电压分压；
92.故障信号生成模块，与所述分压输出模块并联耦接在所述漏极上，并基于所述漏极的故障状态生成故障信号；以及
93.检测模块，基于所述漏极的电压分压和所述故障信号检测所述碳化硅场效应晶体管是否处于短路退饱和状态。
94.具体的，上述的短路退饱和动态检测电路可以印刷在fpcb或者pcb板上，将fpcb或者pcb板固定在一外壳内，在外壳上进一步形成所需要的按键等零部件即为所述短路退饱和动态检测装置，本技术在此不做赘述。
95.可以知晓，本技术的装置中包括一种碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测电路，而该电路采用串联电阻链和串联二极管链相结合的方式，通过设置多种保护阈值和保护时间，使得本技术的装置同样既能具备快速检测短路能力，也具备检测漏极端子开路能力，同时还能具备多级保护，使得保护更为可靠，对于碳化硅场效应晶体管一类高价格、短路耐受能力差的新型功率器件更为适用。
96.进一步的，本技术进一步提供一种碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测系统，包括：
97.待测的碳化硅场效应晶体管，其包括一漏极；以及碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测电路，所述碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测电路包括：
98.分压输出模块，其输入端耦接待测的所述碳化硅场效应晶体管的漏极，输出端输出所述漏极的电压分压；
99.故障信号生成模块，与所述分压输出模块并联耦接在所述漏极上，并基于所述漏极的故障状态生成故障信号；以及
100.检测模块，基于所述漏极的电压分压和所述故障信号检测所述碳化硅场效应晶体管是否处于短路退饱和状态。
101.具体的，上述的短路退饱和动态检测电路可以印刷在fpcb或者pcb板上，将fpcb或者pcb板固定在一外壳内，在外壳上进一步形成所需要的按键等零部件即为所述短路退饱和动态检测装置，本技术在此不做赘述。
102.该系统包括了待测的碳化硅场效应晶体管以及对应的动态检测装置，进而实现一体化检测，无需增加额外设备。
103.可以知晓，本技术提供的系统，由于其装置中包括一种碳化硅场效应晶体管的短路退饱和动态检测电路，而该电路采用串联电阻链和串联二极管链相结合的方式，通过设置多种保护阈值和保护时间，使得本技术的装置同样既能具备快速检测短路能力，也具备检测漏极端子开路能力，同时还能具备多级保护，使得保护更为可靠，对于碳化硅场效应晶体管一类高价格、短路耐受能力差的新型功率器件更为适用。
104.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
105.以上所述的具体实施例，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施例而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。