一种碳化硅器件短路保护电路及方法与流程

本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种碳化硅器件短路保护电路及方法。

背景技术：

随着半导体工艺技术不断改进，si(硅)器件性能已经趋向其材料本身的理论极限，使得功率密度的增长出现了饱和趋势，其发展速度已无法满足市场的高性能要求。随着以sic(碳化硅)为代表的宽禁带半导体材料制备、制造工艺与器件物理的迅速发展，sic电力电子器件逐渐成为功率半导体器件的重要发展对象。

由于sic的过流能力较差，随之而来技术难点的就是sic器件的短路保护方法，既要在既定时间内保证sic器件可靠关断，又要防止受到干扰误报故障，目前市场主要采用以下两种方案：

通过串电阻或串二极管进行检测；串电阻检测方式主要用于si器件的短路保护，在sic领域也有一定应用，但是由于sic要求的短路保护时间较短，检测电路中需求的rc取值较低，在整机运行时容易受到干扰导致误报故障，影响系统的可靠运行；

通过镜像电流检测；市场上的部分sic器件在模块中引出镜像电流检测端，用于对器件进行过流检测保护，防止过流损坏器件，但由于额外加入检测端，对于器件工艺要求增加，以及区别于传统的封装，驱动设计上需要重新匹配不同的检测电路，复杂程度升高，通用性差。

技术实现要素：

本发明的目的是为了弥补上述现有技术中的至少一项不足，提出一种碳化硅器件短路保护电路及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种碳化硅器件短路保护方法，包括：

s1、输入驱动信号到碳化硅器件的栅极以控制所述碳化硅器件的开通或关断；

s2、在所述碳化硅器件的栅极电压从开通阈值开始到开通出现米勒平台的第一阶段，检测所述碳化硅器件运作时的第一实时栅极电压；

s3、将所述第一实时栅极电压与所述碳化硅器件正常开通或关断的栅极电压的第一电压阈值进行比较，若所述第一实时栅极电压大于所述第一电压阈值，则输出第一故障信号；

s4、在所述碳化硅器件的栅极电压的米勒平台从开始到结束的第二阶段，检测所述碳化硅器件运作时的第二实时栅极电压；

s5、将所述第二实时栅极电压与第二电压阈值进行比较，若所述第二实时栅极电压大于所述第二电压阈值，则输出第二故障信号；所述第二电压阈值大于所述第一电压阈值；

s6、若连续检测到所述第一故障信号和所述第二故障信号，则判定所述碳化硅器件发生短路，停止给所述碳化硅器件的栅极输入驱动信号。

在一些优选的实施方式中，对短路的响应时间在500ns以内。

一种碳化硅器件短路保护电路，包括驱动信号控制单元、第一控制器、比较器、逻辑处理单元、第二信号隔离单元和电压阈值控制单元；

所述驱动信号控制单元的一端用于输入pwm信号，另一端与碳化硅器件的栅极连接，以控制所述碳化硅器件的开通或关断；

所述第一控制器的第二管脚与所述驱动信号控制单元连接，以检测所述碳化硅器件的栅极电压信号，所述第一控制器的第三管脚与所述比较器的第一输入管脚连接；

所述电压阈值控制单元与所述比较器的第二输入管脚连接，以将第一电压阈值或第二电压阈值输入至所述比较器；

所述逻辑处理单元的第一通道的一端和第二通道的一端均用于输入pwm信号，所述第一通道的另一端和所述第二通道的另一端分别与所述第二信号隔离单元的第一相的输入端和第二相的输入端连接；

所述第一相的输出端与所述第一控制器的第一管脚连接，以控制所述第一控制器的开通与关断；所述第二相的输出端与所述电压阈值控制单元连接，以控制所述电压阈值控制单元的开通与关断；

所述比较器的输出管脚与所述第二信号隔离单元的第三相的输入端连接，所述第三相的输出端与所述逻辑处理单元的第三通道的一端连接；所述第三通道的另一端与所述驱动信号控制单元连接，以关断所述碳化硅器件；

所述逻辑处理单元用于：在所述碳化硅器件的栅极电压从开通阈值开始到开通出现米勒平台的第一阶段或者在所述碳化硅器件的栅极电压的米勒平台从开始到结束的第二阶段，使所述第一控制器和所述电压阈值控制单元开通；以及储存所述比较器的输出信号。

在一些优选的实施方式中，所述电压阈值控制单元包括第二控制器和第一电阻，所述第二控制器的第一管脚与所述第二相的输出端连接，所述第二控制器的第二管脚和所述第一电阻的一端共同连接到所述比较器的第二输入管脚，所述第二控制器的第三管脚和所述第一电阻的另一端共同接到地。

在一些优选的实施方式中，所述驱动信号控制单元包括依次连接的逻辑芯片、第一信号隔离单元、推挽电路和栅极驱动电路；所述逻辑芯片的第一输入管脚用于输入pwm信号，所述逻辑芯片的第二输入管脚与所述第三通道的另一端连接；所述第一控制器的第二管脚连接于所述推挽电路和所述栅极驱动电路之间。

在另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其存储有与计算设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现上述方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

采用检测栅极电压的方式进行短路故障检测及保护，响应速度快，响应时间主要由逻辑处理单元和比较器以及驱动控制单元的延迟时间控制，采用现有的电路即可将响应时间控制在500ns以内。同时，通过两个阶段的连续检测，以及通过故障信号锁定单元进行识别处理，降低误报故障的风险，提高系统的稳定性。可直接通过碳化硅器件发生短路时的栅极电压来识别是否发生短路故障，同时在既定时间内关断栅极的驱动信号，此种检测方式几乎可适用于市场上所有碳化硅器件电路的短路检测，只需根据不同碳化硅器件电路来更改对应比较器的阈值，无需根据不同碳化硅器件电路的不同封装特性进行定制化设计，通用性强，降低成本。

附图说明

图1为本发明实施例的碳化硅器件短路保护电路的结构图；

图2为本发明实施例的碳化硅器件短路保护电路的一种具体电路结构图；

图3为本发明实施例的碳化硅器件短路保护方法的流程图；

图4为碳化硅器件的波形图。

具体实施方式

参考图1至图4，以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参考图1，本发明实施例的碳化硅器件短路保护电路包括驱动信号控制单元100、短路保护检测单元200和故障信号锁定单元300。

参考图1和图2，驱动信号控制单元100主要是驱动信号控制电路。驱动信号控制单元100的一端与产生pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)信号的设备连接，用于输入pwm信号；驱动信号控制单元100的另一端与碳化硅器件400的栅极连接。pwm信号经过驱动信号控制单元100处理后，输入到碳化硅器件400的栅极，从而控制碳化硅器件400的开通或关断。

参考图1和图2，短路保护检测单元200主要是短路保护检测电路。逻辑处理单元21的第一通道cp1的一端和第二通道cp2的一端均与产生pwm信号的设备连接，用于输入pwm信号。第一通道cp1的另一端与第二信号隔离单元t2的第一相a的输入端连接，第一相a的输出端则与第一控制器sw1的第一管脚也即管脚1连接，以控制第一控制器sw1的开通与关断。第二通道cp2的另一端与第二信号隔离单元t2的第二相b的输入端连接，第二相b的输出端与电压阈值控制单元22连接，以控制电压阈值控制单元22，比如控制其开通与关断或者控制其输出电压阈值的大小。第一控制器sw1的第二管脚也即管脚2与驱动信号控制单元100连接，以检测碳化硅器件400的栅极电压信号，第一控制器sw1的第三管脚也即管脚3与比较器u2的第一输入管脚也即管脚1连接。电压阈值控制单元22与比较器u2的第二输入管脚也即管脚2连接，以将第一电压阈值或第二电压阈值输入至比较器u2。

参考图1和图2，故障信号锁定单元300主要是故障信号输出及故障逻辑分析处理电路。比较器u2的输出管脚也即管脚3与第二信号隔离单元t2的第三相c的输入端连接，第三相c的输出端与逻辑处理单元21的第三通道cp3的一端连接。第三通道cp3的另一端与驱动信号控制单元100连接，以关断碳化硅器件。

驱动信号控制单元100主要是驱动信号控制电路，对pwm信号进行处理，会产生延时。这就需要控制第一控制器sw1在适当的时刻将碳化硅器件400的栅极电压信号输入至比较器u2，同时还要控制电压阈值控制单元22将电压阈值输入至比较器u2，从而检测碳化硅器件400是否出现短路。因此，逻辑处理单元21用于：在碳化硅器件400的栅极电压从开通阈值开始到开通出现米勒平台的第一阶段或者在碳化硅器件400的栅极电压的米勒平台从开始到结束的第二阶段，使第一控制器sw1和电压阈值控制单元22开通；以及储存比较器u2在第一阶段和第二阶段的输出信号。

第二信号隔离单元t2用于对信号进行隔离，包括磁隔离和光耦隔离。

驱动信号控制单元100用于：将pwm信号经过原边逻辑处理、隔离传输到次边、栅极驱动信号推挽放大处理后，使碳化硅器件400的栅极可以根据驱动信号指令进行开通或关断。

短路保护检测单元200用于：经过两个阶段的栅极电压检测，以及隔离传输两个阶段的故障脉冲信号到逻辑处理单元21进行处理。

故障信号锁定单元300用于：当逻辑处理单元21连续接收到两个阶段的故障脉冲信号后，内部进行识别处理，并输出一个恒定的故障信号与原边逻辑进行处理后，碳化硅器件400的栅极关断，短路保护生效。

结合本发明实施例的碳化硅器件短路保护方法对本发明实施例进行详细说明。

参考图3，本发明实施例的碳化硅器件短路保护方法包括步骤s1至步骤s6。

步骤s1、输入驱动信号到碳化硅器件400的栅极以控制碳化硅器件400的开通或关断。

在正常状态下，产生pwm信号的设备将pwm信号输入至驱动信号控制单元100的一端。驱动信号控制单元100将pwm信号处理成驱动信号，输入到碳化硅器件400的栅极，从而使碳化硅器件400正常开通或关断，比如：在pwm信号的高电平时间段开通，在低电平时间段关断。逻辑处理单元21的第一通道cp1和第二通道cp2存储碳化硅器件400正常及开通关断时的栅极波形的短路检出时间①和短路检出时间②的电压阈值。

步骤s2、在碳化硅器件400的栅极电压从开通阈值开始到开通出现米勒平台的第一阶段，检测碳化硅器件400运作时的第一实时栅极电压。

参考图4，第一阶段为短路检出时间①。在这段时间内，碳化硅器件400的栅极电压波形变化为：从开通阈值vgs(th)开始到开通时的米勒平台。逻辑处理单元21的第一通道cp1对pwm信号进行处理，使延时与碳化硅器件400的驱动信号的一致，经过第二信号隔离单元t2的第一相a隔离传输至第一控制器sw1的管脚1，使第一控制器sw1在第一阶段内同步开通，将碳化硅器件400的第一实时栅极电压传输至比较器u2的管脚1。

在图4中，vds为管压降，id为漏极电流。

步骤s3、将第一实时栅极电压与碳化硅器件正常开通或关断的栅极电压的第一电压阈值进行比较，若第一实时栅极电压大于第一电压阈值，则输出第一故障信号。

在第一阶段，碳化硅器件400如果发生短路，其栅极电压的波形比正常运行时栅极电压的波形幅值的绝对差值缓慢升高。逻辑处理单元21的第二通道cp2对pwm信号进行处理，使延时与碳化硅器件400的驱动信号的一致，经过第二信号隔离单元t2的第二相b隔离传输至电压阈值控制单元22，使电压阈值控制单元22将第一电压阈值输入至比较器u2的管脚2。其中，第一电压阈值是根据碳化硅器件400的特性预先设置的，可以是一个恒定的值，也可以是随时间不断变化的值。

比较器u2将第一实时栅极电压和第一电压阈值进行比较，若第一实时栅极电压大于第一电压阈值，也就是当比较器u2的管脚1的电压高于管脚2的电压，比较器u2翻转，比较器u2的管脚3输出电平翻转，输出第一故障信号，通过第二信号隔离单元t2的第三相c相隔离传输到逻辑处理单元21的第三通道cp3进行储存。

步骤s4、在碳化硅器件400的栅极电压的米勒平台从开始到结束的第二阶段，检测碳化硅器件400运作时的第二实时栅极电压。

参考图4，第二阶段为短路检出时间②。在这段时间内，碳化硅器件400的栅极电压波形变化为：从碳化硅器件开通时的米勒平台开始到结束。逻辑处理单元21的第一通道cp1对pwm信号进行处理，使延时与碳化硅器件400的驱动信号的一致，经过第二信号隔离单元t2的第一相a隔离传输至第一控制器sw1的管脚1，使第一控制器sw1在第二阶段内同步开通，将碳化硅器件400的第二实时栅极电压传输至比较器u2的管脚1。

步骤s5、将第二实时栅极电压与第二电压阈值进行比较，若第二实时栅极电压大于第二电压阈值，则输出第二故障信号；其中，第二电压阈值大于第一电压阈值。

在第二阶段，碳化硅器件400如果发生短路，其栅极电压的波形幅值比正常运行时的栅极电压的波形幅值绝对差值较第一阶段明显高一些。逻辑处理单元21的第二通道cp2对pwm信号进行处理，使延时与碳化硅器件400的驱动信号的一致，经过第二信号隔离单元t2的第二相b隔离传输至电压阈值控制单元22，使电压阈值控制单元22将第二电压阈值输入至比较器u2的管脚2。其中，第二电压阈值也是根据碳化硅器件400的特性预先设置的，可以是一个恒定的值，也可以是随时间不断变化的值。

比较器u2将第二实时栅极电压和第二电压阈值进行比较，若第二实时栅极电压大于第二电压阈值，也就是当比较器u2的管脚1的电压高于管脚2的电压，比较器u2翻转，比较器u2的管脚3输出电平翻转，输出第二故障信号，通过第二信号隔离单元t2的第三相c隔离传输到逻辑处理单元21的第三通道cp3进行储存。

步骤s6、若连续检测到第一故障信号和第二故障信号，则判定碳化硅器件400发生短路，停止给碳化硅器件400的栅极输入驱动信号。

第一故障信号表明碳化硅器件400在上述第一阶段出现了短路，第二故障信号则表明碳化硅器件400在上述第二阶段出现了短路。上述两个阶段的故障信号由逻辑处理单元21的第三通道cp3进行储存，若逻辑处理单元21连续检测到第一故障信号和第二故障信号，比如在碳化硅器件400开通一次的期间，逻辑处理单元21进行识别处理，判定为碳化硅器件400发生短路，第三通道cp3输出一个恒定的故障信号到驱动信号控制单元100，关断碳化硅器件400栅极的驱动信号，保障碳化硅器件400的可靠运行。

由于碳化硅器件的过流能力相对较差，当碳化硅器件发生短路时，必须在3us以内关断栅极的驱动信号，以达到保护器件的作用。传统短路保护检测电路是通过阻容充放电来实现对响应时间的控制。针对碳化硅器件的短响应时间要求，阻容充放电方式容易产生误报故障，影响系统的稳定运行。

本发明采用检测栅极电压的方式进行短路故障检测及保护，响应速度快，响应时间主要由逻辑处理单元21和比较器u2以及驱动控制单元100的延迟时间控制，采用现有的电路即可将响应时间控制在500ns以内，也就是从检测到碳化硅器件出现短路到关断碳化硅器件在500ns以内完成。同时，通过两个阶段的连续检测，以及通过故障信号锁定单元300进行识别处理，降低误报故障的风险，提高系统的稳定性。

本发明可直接通过碳化硅器件发生短路时的栅极电压来识别是否发生短路故障，同时在既定时间内关断栅极的驱动信号，此种检测方式几乎可适用于市场上所有碳化硅器件电路的短路检测，只需根据不同碳化硅器件电路来更改对应比较器的阈值，无需根据不同碳化硅器件电路的不同封装特性进行定制化设计，通用性强，降低成本。

以下对发明作进一步说明。

驱动信号控制单元100包括依次连接的逻辑芯片u1、第一信号隔离单元t1、推挽电路和栅极驱动电路u3；其中，推挽电路包括推挽mos管q1和推挽mos管q2。逻辑芯片u1的第一输入管脚也即管脚1用于输入pwm信号，也即与产生pwm信号的设备连接；逻辑芯片u1的第二输入管脚也即管脚2与第三通道cp3的另一端连接；逻辑芯片u1的输出管脚也即管脚3与驱动隔离芯片t1的输入端相连；驱动隔离芯片t1的输出端连接推挽mos管q1和推挽mos管q2的栅极，推挽mos管q1的漏极与电源viso相连，推挽mos管q2的漏极和电源地gnd相连，推挽mos管q1的源极和推挽mos管q2的源极相连，并一同连接到栅极驱动电路u3的输入端和第一控制器sw1的第二管脚也即管脚2，即第一控制器sw1的第二管脚也即管脚2连接于推挽电路和栅极驱动电路u3之间。其中，栅极驱动电路u3包括栅极电阻、栅极电容、钳位电路等。

电压阈值控制单元22包括第二控制器sw2和第一电阻r2，第二控制器sw2的第一管脚也即管脚1与第二相b的输出端连接，第二控制器sw2的第二管脚也即管脚2和第一电阻r2的一端共同连接到比较器u2的第二输入管脚也即管脚2，第二控制器sw2的第三管脚也即管脚3和第一电阻r2的另一端共同接到地gnd。

第一电压阈值是这样产生的：逻辑处理单元21的第二通道cp2对pwm信号进行处理，使延时与碳化硅器件400的驱动信号的一致，经过第二信号隔离单元t2的第二相b隔离传输至第二控制器sw2的管脚1，第二控制器sw2关闭，由第一电阻r2决定产生的第一电压阈值的大小。推挽mos管q1和推挽mos管q2的源极信号通过第一控制器sw1输入到比较器u2的管脚1。比较器u2将管脚1和管脚2的电压进行比较。

第二电压阈值是这样产生的：逻辑处理单元21的第二通道cp2对pwm信号进行处理，使延时与碳化硅器件400的驱动信号的一致，经过第二信号隔离单元t2的第二相b隔离传输至第二控制器sw2的管脚1，第二控制器sw2开通，由第二控制器sw2和第一电阻r2共同决定产生的第二电压阈值的大小，也即通过第二控制器sw2调节比较器u2的管脚2的电压阈值。推挽mos管q1和推挽mos管q2的源极信号通过第一控制器sw1输入到比较器u2的管脚1。比较器u2将管脚1和管脚2的电压进行比较。

一种计算机可读存储介质，其存储有与计算设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现上述方法。

本发明可以兼容各种碳化硅器件，同时又能做到可靠地防止器件短路，保障器件的可靠运行，具有如下优点：电路简单，易于控制；检测电路精确度高；通用性强，便于使用；当器件发生短路时，能够快速响应，保护器件可靠运行。

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。