用于宽禁带半导体SiCMOSFET的短路保护结构及保护方法与流程

本发明涉及用于宽禁带半导体sicmosfet的短路保护结构及保护方法。
背景技术：
：sicmosfet短路保护策略比igbt更为重要和困难。这有三个原因。首先，sicmosfet工作场所面临着更严重的电磁干扰(emi)问题，这可能导致控制信号部分出现错误，并最终导致短路故障。其次，sicmosfet的短路电流更高，芯片尺寸更小，因此其短路耐受时间比igbt短。第三，随着温度的变化，sicmosfet的静态特性变化更大，这使得应用最广泛的退饱和检测技术的可靠性变低。目前，sicmosfet短路保护大多借用igbt短路保护方式，主要包括退饱和检测，电流传感器检测，采样电阻检测，di/dt检测。其中，传统的di/dt检测使用sicmosfet自身的寄生电感进行电流采集。使用rc积分电路(低通滤波器)还原电流波形。最后，添加比较，锁存和逻辑关断后即可实现sicmosfet的短路保护。但di/dt检测在负载短路故障(ful)的情况下存在一些问题，下面将做详细说明。传统的di/dt检测原理为了与发明的检测方法相区别，之后将传统的di/dt检测统称为di/dt-rc检测。a.基本原理和计算常见的di/dt-rc检测原理如图1所示。从右到左分为三部分：微分电路，积分电路，比较和逻辑关断电路。下面将介绍这三个电路。在微分电路中，通过sicmosfet的开尔文源极和功率源极之间的寄生电感lss获得漏源电流ids的微分信息。寄生电感lss两端的电压为：其中dids/dt代表漏源电流ids的微分，vss为寄生电感电压。在积分电路中，将微分电路得到的寄生电感电压vss信号进行积分，得到与漏源电流ids成比例的积分电容输出电压vo，二者的比例系数约为a，按照公式(2)求得：上式中，rf、cf和vo分别是rc积分器的积分电阻、积分电容和积分电容输出电压，a定义为积分器输出电压(积分电容输出电压vo)与实际电流(漏源电流ids)的比例值。因为在短路条件下电流会急剧上升，仅需要高频积分器即可反应出短路时的电流信息。所以通常使用无源rc低通滤波器作为高频积分器。发生短路时，漏源电流ids急剧上升，对应的积分电容输出电压vo的绝对值也急剧上升。在比较和逻辑关断电路，积分电容输出电压vo连接到比较器的正端，并且预先设定好的阈值电压v(th)被连接到该比较器的负端。在确定寄生电感lss、积分电阻rf和积分电容cf的设定值后，可以通过选择不同的阈值电压v(th)来调整短路电流保护阈值。使用sr锁存器、关断mosfetmso和关断电阻rso来实现短路保护所需的关断sicmosfet的功能，如图1的左部分所示。b.rc积分电路的问题实际上，更快、更简单的di/dt-rc检测尚未广泛用于sicmosfet的短路保护。因为它存在以下问题。在说明问题之前，首先需要说明sicmosfet短路情况的分类(共两种)。sicmosfet开启时发生的短路故障称为硬开关故障(hsf)。sicmosfet完全开启后某一时刻发生的短路故障称为负载短路故障(ful)。在无故障、hsf和ful三种情况下，漏源电流ids和积分电容输出电压vo的波形如图2所示。其中，时间t1，时间t4，hsf下积分电容峰值电压vhsf和ful下积分电容峰值电压vful分别表示发生两种短路发生的时刻和积分电容输出电压vo可以达到的峰值。hsf下漏源电流峰值ihsf和ful下漏源电流峰值iful是与vhsf和vful对应的漏源电流ids的值。无故障漏源电流inor是在无故障情况下器件开启后的漏源电流ids。无故障积分电容输出电压vnor是在无故障情况下器件开启瞬态(图2中(b)的t2时刻)的积分电容的输出电压vo。当使用di/dt-rc短路检测方法时，在相同的短路电流峰值条件下，与hsf下积分电容峰值电压vhsf相比，ful下积分电容峰值电压vful具有巨大的检测误差v'err，如图2中(b)所示。原因如下，sicmosfet正常打开后为时间t2时刻。在时间t2至时间t3时间段内，积分电容输出电压vo通过寄生电感lss和积分电阻rf放电，直至变为0v。因此，在时间t3之后，rc积分器会产生一个巨大的误差电压verr，误差电压verr与无故障漏源电流inor成正比。在ful故障的情况下，此误差电压verr被ful下积分电容峰值电压vful体现出来为检测误差v'err，所以检测误差v'err约等于误差电压verr。因为hsf故障发生在sicmosfet启动过程中，所以不会产生巨大的检测误差。综上可知，在ful故障情况下，rc积分器检测的电流与实际电流相比存在inor的检测误差。由于这个检测误差，图1中比较器的正端子处的阈值电压v(th)设计是困难的。如果阈值电压v(th)的绝对值大于ful下积分电容峰值电压vful的绝对值，则显然在ful条件下无法激活保护功能。如果阈值电压v(th)的绝对值小于等于hsf下积分电容峰值电压vhsf的绝对值，则在sicmosfet开关瞬态，由于电流振荡可能会产生误保护。技术实现要素：本发明的目的是，提供一种用于宽禁带半导体sicmosfet的短路保护结构及其保护方法。该保护结构中提出rcd积分电路，弥补了rc积分电路的误差，达到了提高di/dt检测的准确性的目的。之后将本发明称为di/dt-rcd检测短路保护法。为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于宽禁带半导体sicmosfet的短路保护结构，包括比较和逻辑关断电路，其特征在于，该结构还包括rcd积分电路、复位电路，所述rcd积分电路包括积分电容cf、积分电阻rf、阻断二极管dblo、接地电阻rgro，接地电阻rgro并联在阻断二极管dblo两端，阻断二极管dblo的正极端依次连接积分电阻rf、积分电容cf；积分电容cf的另一端接地vs,积分电容cf的接地端连接开尔文源极，阻断二极管dblo的负极端连接功率源极；rcd积分电路的输出端从积分电容cf和积分电阻rf之间引出，分别接入比较和逻辑关断电路、复位电路中；所述复位电路的作用是在sicmosfet关断时把积分电容输出电压vo降低到零，起到把积分电容强制复位的作用。所述复位电路包括比较器u2，比较器u2的正输入端连接在电阻r3和电阻r4的连接处，电阻r3另一端连接-5v电源，电阻r4另一端连接+15v电源；比较器u2的动作电压v(comp)要保证小于被保护的sicmosfet的开启电压；比较器u2的负输入端经电阻r5连接到驱动脉冲vgs与栅极电阻rg的连接处，同时比较器u2的负输入端经电阻r6接地vs；比较器u2采用-5v和+15v供电；比较器u2的输出端经复位电容cre分别连接复位电阻rre的一端、复位mosfetmreset的栅极，复位电阻rre的另一端连接到复位mosfetmreset的漏极上并接地vs；复位mosfetmreset的源极连接在rcd积分电路的输出上，即积分电容cf和积分电阻rf之间。所述比较和逻辑关断电路的电路构成是：积分电容输出电压vo连接到比较器u1的正输入端，比较器u1的负输入端连接到电阻r1和电阻r2的连接点；电阻r1另一端连接到-5v，电阻r2另一端连接到地vs(0v)；比较器u1输出连接到sr锁存器u3的2s’端，sr锁存器u3的2r’端连接到地vs端；sr锁存器u3的2q端连接电阻r7，电阻r7另一端连接关断mosfetmso的栅极，关断mosfetmso是一个信号级的小mosfet，关断mosfetmso的源极与sr锁存器u3的gnd端都连接到-5v；当sr锁存器u3的2q端输出正后，代表短路保护被触发，sr锁存器u3的2q端使关断mosfetmso开启；关断mosfetmso的漏极连接关断电阻rso，关断电阻rso的另一端连接到驱动脉冲vgs与栅极电阻rg的连接处；关断mosfetmso开启后把驱动脉冲vgs通过关断电阻rso和关断mosfetmso的漏源极与-5v连接。一种用于宽禁带半导体sicmosfet的短路保护方法，该方法采用上述的短路保护结构，其特征在于，rcd积分电路用于精确测量sicmosfet的短路漏源电流ids，当漏源电流ids大于设定的短路电流动作值时，rcd积分电路输出的电压信号使比较和逻辑关断电路动作，起到关断sicmosfet的作用；无论是短路时的关断还是正常时的关断，复位电路在每次sicmosfet关断后负责把rcd积分电路中的积分电容输出电压vo变为0v。在器件正常开通瞬态或者短路时，rcd积分电路起到将寄生电感电压vss信号积分的作用，积分结果的输出为积分电容输出电压vo；在被保护的sicmosfet正常开通瞬态之后，但未到关断时刻的这段时间之内，当积分电容输出电压vo释放时，阻断二极管dblo处于阻断状态并且接地电阻rgro设置为大电阻，所以积分电容输出电压vo无法释放；若该时间段发生短路，积分电容输出电压vo会从正常大小开始增加，能反映出正常的短路电流大小，使后边的比较和逻辑关断准确的识别短路故障，从而使器件能有效的被保护；比较和逻辑关断电路中的比较器u1负极端子上的阈值电压v(th)通过接地电阻rgro和差分电阻rdif形成回路电流，防止积分电容cf被v(th)误充电，而导致输出电压vo误升高情况的发生；当驱动脉冲vgs小于0v时，sicmosfet关断，复位电路中的比较器u2的负输入端同样小于0v，这时比较器u2输出电位由-5v翻转到+15v，直到驱动脉冲vgs再次大于0v，sicmosfet再次开启时；复位电路中的复位电容cre、复位电阻rre将比较器u2输出的由-5v翻转到+15v的阶跃信号转化为开通时间为复位脉冲时间treset大小的单脉冲信号在复位电阻rre两端输出，复位脉冲时间treset按照公式(3)计算得到；复位电阻rre连接到复位mosfetmreset的栅漏两端，在复位脉冲时间treset时间内复位mosfetmreset处于开启状态，起到将积分电容电压vo强制降为零的作用。一种集成di/dt-rcd检测的双脉冲实验(dpt)平台，包括示波器、脉冲发生器、低压电源、负载电感lload、高压电源，该实验平台还包括上管、下管、rcd积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路、驱动电路和上、下管组成的半桥电路；高压电源vdc向半桥电路供电，上管并联一个负载电感lload，下管的开尔文源极和功率源极之间串联寄生电感lss，rcd积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路采用上述的结构构成短路保护电路pcb，短路保护电路pcb上有三个电源接口、一个rcd积分正接口、一个rcd积分负接口和一个保护关断接口，三个电源接口分别接低压电源提供的+15v、地vs(0v)和-5v电压接口，rcd积分正接口、rcd积分负接口、保护关断接口分别对应连接下管的开尔文源极、功率源极、驱动脉冲vgs；示波器获取记录的波形数据为：下管的漏源电流ids、rcd积分电路的积分电容输出电压vo、比较和逻辑关断电路中关断mosfetmso的栅极电压vgs_moff；下管为待保护的宽禁带半导体sicmosfet，上管为额定电流值大于下管额定电流值的sicmosfet；脉冲发生器用于产生上、下管的控制脉冲，该脉冲经过驱动电路产生驱动脉冲vgs0、vgs，驱动电路内对应上、下管分别有两个栅极电阻，上、下管各自连接一个栅极电阻rg0、rg，vgs0、rg0、vgs和rg用于控制上、下管的开启与关断。使用上述的dpt实验平台完成di/dt-rcd检测在ful故障下的保护测试方法，该测试方法的步骤是：首先，低压电源供电，使装置的低压部分得以运行；设定脉冲发生器的脉冲和驱动电路的电压，从而使上、下管按设定的脉冲序列开通与关断；设定高压电源vdc输出300v，负载电感为200uh，按动脉冲发生器的触发按钮，上、下管会按设定的脉冲序列开通与关断，具体来说：在t1_1到t1_2时间段，下管为开启状态，高压电源、负载电感lload和下管形成通路，通路流过的通路电流iload开始从零增加，使通路电流iload达到下管的额定电流值，此时间段内下管栅漏电压始终为15v；在t1_2到t1_3时间段，下管为关闭状态，负载电感lload上的通路电流iload通过上管的体二极管续流，电流大小基本维持在t1_2时刻的大小，使下管完全关断并在t1_3时刻再开启，此时间段内下管栅漏电压始终为-5v；在t1_3到t1_4时间段，再次将下管打开，高压电源、负载电感lload和下管再次形成通路，通路的电流iload从t1_2时的电流大小继续增加；在t1_4时刻，打开上管，这相当于在t1_3时刻下管开启之后突然把下管短路，即模拟了下管发生了ful短路故障，t1_3到t1_4时间间隔的作用是使下管完全开启后再使上管开启；t1_3到t1_4时间段内下管的栅漏电压为15v，t1_1到t1_4时间段上管的栅漏电压为-5v，t1_4时刻上管的栅漏电压变为15v；t1_4到t1_5时间段用于进行保护电路测试，在t1_5时刻同时关闭上、下管，测试结束。与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有的rc积分电路在器件正常开通瞬态之后，寄生电感电压vss变为零，导致积分电容输出电压vo通过寄生电感lss和积分电阻rf被释放为零，这样就导致了：如果在器件正常开通瞬态之后(但未到关断时刻)的这段时间之内发生了短路(或者叫ful故障)，积分电容输出电压vo会从零开始增加(因之前的电压释放)导致它所反映的短路电流偏小；这种检测误差会造成后边的比较和逻辑关断无法准确识别短路故障，使器件未能有效的被保护。本发明在其中引用了rcd积分电路，明显减小了di/dt检测在负载短路故障(ful)情况下存在的检测误差，有效缩短了短路保护时间。附图说明图1为di/dt-rc检测保护电路的原理图。图2为di/dt-rc检测在正常(无故障)、hsf故障和ful故障三种情况下，漏源电流ids和积分电容输出电压vo的波形图，其中(a)为漏源电流ids与时间的波形图，(b)为积分电容输出电压vo的负数与时间的波形图。图3为本发明(di/dt-rcd检测短路保护方法)用于宽禁带半导体sicmosfet短路保护的电路原理图。完全按照本图制作的pcb电路板即为提出的短路保护对应的电路板。图4为本发明提出的di/dt-rcd检测与di/dt-rc检测在hsf故障和ful故障两种情况下的波形比较，其中，(a)为漏源电流ids与时间的波形图，(b)为积分电容输出电压vo的负数与时间的波形图。图5为本发明(di/dt-rcd检测短路保护方法)结构中的微分电路、积分电路和比较和逻辑关断电路中的比较器的简略图。是为了简化分析，将图3的一部分单独摘出来形成的。图6集成了di/dt-rcd检测的dpt实验平台。为了验证发明的正确性，搭建的验证实验装置。图7集成了di/dt-rcd检测的dpt实验平台的对应原理图。图8用来模拟ful短路故障的脉冲序列。图9为本发明的di/dt-rcd检测短路保护方法与di/dt-rc检测短路保护方法进行验证实验的波形对比图。其中(a)为di/dt-rcd检测短路保护方法的实验结果，(b)为di/dt-rc检测短路保护的实验结果。其中栅极电压vgs_moff波形指的为关断sicmosfet所使用的信号级的关断mosfetmso的栅极电压波形。具体实施方式下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。本发明用于宽禁带半导体sicmosfet的短路保护结构(参见图3)包括rcd积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路，为了方便解释以上三部分，将实际sicmosfet驱动电路用左上角的驱动脉冲vgs和栅极电阻rg组成的简易结构表示。利用具有开尔文源结构的sicmosfet位于开尔文源极与功率源极间的寄生电感lss作为电流信号的采集传感器。所述rcd积分电路包括积分电容cf、积分电阻rf、阻断二极管dblo、接地电阻rgro。接地电阻rgro并联在阻断二极管dblo两端，阻断二极管dblo的正极端依次连接积分电阻rf、积分电容cf。积分电容cf的另一端接地vs,积分电容cf的接地端连接开尔文源极，阻断二极管dblo的负极端连接功率源极；rcd积分电路的输出端从积分电容cf和积分电阻rf之间引出，分别接入比较和逻辑关断电路、复位电路中；上述涉及的各元器件的参数如下，其中接地电阻rgro可在20-50kω这个范围选取，优选为30kω：表1lssvsdblorgrocfrf3nh0vlbas7030kω470pf300ω其中寄生电感lss为sicmosfet固有参数，并不是人为设定的。在sicmosfet正常开通瞬态或发生短路时，寄生电感lss产生一个上正下负的寄生电感电压vss。根据公式(1)可知，这个电压与漏源电流ids大小的微分成比例，比例系数为寄生电感lss大小。本发明在寄生电感lss两端连接rcd积分电路，用来还原出电流本身。当器件正常开通瞬态或者短路时，寄生电感电压vss产生的电流由寄生电感lss正端(sicmosfet开尔文源极)经过积分电容cf、积分电阻rf和阻断二极管dblo并联接地电阻rgro最终到达寄生电感lss的负端(功率源极)。因为这时二极管处于正向导通状态，可将阻断二极管dblo并联接地电阻rgro看做为短路状态。综上可知在器件正常开通瞬态或者短路时，rcd积分器的效果与rc积分器相同，做到将寄生电感电压vss信号积分的作用，积分结果的输出为积分电容输出电压vo。根据公式：可知积分电容输出电压vo与漏源电流ids成正比，比例系数约为a。因此rcd积分电路做到了将器件正常开通瞬态或者短路时的漏源电流ids按照比例还原出来的作用。本发明的rcd积分电路添加了阻断二极管dblo并联接地电阻rgro。积分电容输出电压vo需要通过寄生电感lss、积分电阻rf和阻断二极管dblo并联接地电阻rgro才能被释放为零。但当积分电容输出电压vo释放时，阻断二极管dblo处于阻断状态并且接地电阻rgro设置为30k欧姆的大电阻。所以积分电容输出电压vo未被释放。因此在正常开通瞬态之后(但未到关断时刻)的这段时间之内发生短路时，相比于rc积分电路，rcd积分电路中积分电容输出电压vo会从正常大小开始增加(因之前的电压未被释放)。因此它正确反映出了短路电流的大小，使后边的比较和逻辑关断准确的识别短路故障，使器件能有效的被保护。本发明中的rcd积分电路添加接地电阻rgro的原因是避免积分电容cf后边连接的比较器本身对电容cf的充电，导致误保护的发生。所述复位电路的作用是在sicmosfet关断时把积分电容输出电压vo降低到零，起到把电容强制复位的作用。包括比较器u2，比较器u2的正输入端连接在电阻r3和电阻r4的连接处，电阻r3另一端连接-5v电源，电阻r4另一端连接+15v电源；这样起到设定比较器u2动作电压的作用，此处使用的电阻r3为1kω，电阻r4为3kω，比较器u2动作电压v(comp)为0v即可(比较器u2动作电压v(comp)要保证小于被保护的sicmosfet的开启电压)。比较器u2的负输入端经电阻r5连接到驱动脉冲vgs与栅极电阻rg的连接处，同时比较器u2的负输入端经电阻r6接地vs；比较器u2采用-5v和+15v供电；比较器u2的输出端经复位电容cre分别连接复位电阻rre的一端、复位mosfetmreset的栅极，复位电阻rre的另一端连接到复位mosfetmreset的漏极上并接地；复位mosfetmreset的源极连接在rcd积分电路的输出上，即积分电容cf和积分电阻rf之间。当驱动脉冲vgs小于0v(sicmosfet关断时)时，比较器u2的负输入端同样小于0v，这时比较器u2输出电位由-5v翻转到+15v，直到驱动脉冲vgs再次大于0v(sicmosfet再次开启时)。复位电容cre、复位电阻rre将比较器u2输出的由-5v翻转到+15v的阶跃信号转化为开通时间为复位脉冲时间treset大小的单脉冲信号在复位电阻rre两端输出。复位脉冲时间treset计算如公式(3)所示复位电阻rre连接到复位mosfetmreset的栅漏两端，在复位脉冲时间treset时间内复位mosfetmreset处于开启状态，因此做到了将积分电容cf电压降为零的作用。应当注意的是虽然复位电阻rre连接到复位mosfetmreset的栅漏两端而不是栅源两端，但是也可以开启复位mosfetmreset。因为复位mosfetmreset的漏源电压最高也只有1-2v，但是在开启时栅漏电压能达到15v,所以栅源电压能达到13-14v，完全可以开启复位mosfetmreset。上述复位电路中各元器件的参数如下：表2r3r4r5r6u2crerremreset1kω3kω1kω1kωths4631d100pf250ωbss138p比较和逻辑关断电路负责比较rcd积分电路中积分电容输出电压vo与设定的阈值电压v(th)的大小，之后再进行状态锁存与短路器件关断。具体原理如下：积分电容输出电压vo连接到比较器u1的正输入端，比较器u1的负输入端连接到电阻r1和电阻r2的连接点。电阻r1另一端连接到-5v，电阻r2另一端连接到地地vs(0v)。这样起到设定比较器u1动作电压的作用，此处使用的电阻r1为3.2kω，电阻r2为1.8kω，所以比较器u1的阈值电压v(th)为-1.8v。在此处，当sicmosfet短路电流的大小超过84.6a时，因为rcd积分器的作用，积分电容输出电压vo降至小于-1.8v，所以比较器u1输出为-5v，比较器u1输出连接到sr锁存器u3的2s’端。又因为sr锁存器u3的2r’连接到地vs端，所以sr锁存器u3的2q端输出正并锁存(sr锁存器u3的2q端输出一直变为正)。sr锁存器u3的2q端连接电阻r7，电阻r7另一端连接关断mosfetmso的栅极，关断mosfetmso是一个信号级的小mosfet，关断mosfetmso的源极与sr锁存器u3的gnd端都连接到-5v。当sr锁存器u3的2q端输出正后，代表短路保护被触发，sr锁存器u3的2q端使关断mosfetmso开启。关断mosfetmso的漏极连接关断电阻rso，关断电阻rso的另一端连接到驱动脉冲vgs与栅极电阻rg的连接处。关断mosfetmso开启后把驱动脉冲vgs通过关断电阻rso和关断mosfetmso的漏源极与-5v连接。做到了强制将被保护sicmosfet的栅极电压由驱动脉冲vgs电压大小降到接近-5v的大小(因为关断电阻rso和关断mosfetmso的漏源间的导通电阻的分压作用，所以不能完全到达-5v)。这样使处于短路状态的sicmosfet关断。从而起到了sicmosfet短路保护的作用。上述比较和逻辑关断电路的元器件参数如下：表3r1r2u1rsor7msou33.2kω1.8kωadcmp6001001ωlbss138sn74ls279至此，rcd积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路的整体结构及原理解释完成。本发明用于宽禁带半导体sicmosfet的短路保护方法，rcd积分电路用于精确测量sicmosfet的短路漏源电流ids，进行短路信号的检测，发生短路时，rcd积分电路通过寄生电感lss捕捉到短路的信息并在积分电容cf两端输出；当漏源电流ids大于设定的短路电流动作值时，rcd积分电路输出的电压信号使比较和逻辑关断电路动作(起到关断sicmosfet的作用)；复位电路在每次sicmosfet关断后(无论是短路时的关断还是正常时的关断)负责把rcd积分电路中的积分电容输出电压vo变为0v。比较和逻辑关断电路负责采集rcd积分电路捕捉到的短路信息，并实现该信息的锁存，最终关断sicmosfet。本发明方法的设计核心是：从图2可以看出，在ful故障发生时，rc积分电路出现误差的根本原因是积分电容cf的电压在时间t2到时间t3的时间段内通过积分电阻rf和寄生电感lss被释放。为了解决这个问题，提出了如图3所示的rcd积分电路。它增加了一个阻断二极管dblo，一个大的接地电阻rgro和一个复位电路。每个部分的作用将在下面详细说明。a.阻断二极管添加的阻断二极管dblo为该发明的核心，它可以防止在图2中的时间t2之后积分电容输出电压vo的释放(积分电容cf放电)。同时，它对正向积分(积分电容cf充电)基本无影响。图4(b)显示了rc和rcd积分电路的比较。在理想情况下，当在时间t'4发生ful时，rcd积分电路与rc积分电路相比，因为阻断二极管dblo的作用，积分电容输出电压vo提升了vprom大小(prom是“提升”的英文promote的前四个字母)。达到了在相同的短路电流下，hsf和ful故障时分别对应的积分电容输出电压vo的峰值基本相同(vhsf_rcd≈vful_rcd)的目的。因此，通过添加阻断二极管dblo组成的rcd积分电路可以基本补偿rc积分电路的误差。阻断二极管dblo需要选择通态压降低，反向恢复电流小，开关速度快的肖特基二极管，并需要根据实际情况设计阻断二极管dblo的额定正向电流，流入rcd积分电路的电流ircd_p的峰值可以估算为其中，vss_p是电感lss两端的电压峰值，为了减少二极管正向电压对rc积分的影响，阻断二极管dblo的额定电流应大于ircd_p。因为阻断二极管dblo的添加，又引起了新的问题。下面的b,c部分为该问题的解释与解决方法。b.复位电路阻断二极管dblo弥补了rc积分电路的误差，同时它会阻断积分电容cf的放电回路，这会导致在sicmosfet关断后(时间t'5时刻及以后)积分电容输出电压vo不会降低，如图4(b)中无复位标记的现象。这会导致积分电容输出电压vo的累加，几个开关周期后会导致误保护。添加复位电路后，当sicmosfet关断时，电容的电压被复位电路复位到零。原理是，当栅极驱动脉冲vgs电压为零时，比较器u2输出一个正电压。正电压通过cr高通滤波器后，将成为控制复位mosfetmreset导通的脉冲信号。复位脉冲时间treset由cr高通滤波器确定。其中，复位电容cre和复位电阻rre是cr高通滤波器的电阻和电容。尽管复位电阻rre连接到sicmosfet开尔文源极(复位mosfetmreset的漏极)而不是复位mosfetmreset的源极。但是两个源极电压之间的差仅为一到两伏。因此，它不会影响复位mosfetmreset的开启。c.接地电阻为了在发生短路时实现短路判断功能，积分电容cf需要连接到比较器u1，如图5所示。在比较器u1的两个输入之间有数百k欧姆的差分电阻rdif。比较器u1负极端子上的阈值电压v(th)通过积分电容cf和差分电阻rdif形成回路电流①。因此，积分电容输出电压vo会逐渐增加直到等于阈值电压v(th)，导致误保护。增加接地电阻rgro可以形成回路电流②，将积分电容输出电压vo拉低。尽管接地电阻rgro越小，积分电容输出电压vo越接近0v。但是，如果接地电阻rgro太小，阻断二极管dblo将失去作用。接地电阻rgro折中的选择为30kω。di/dt-rc检测与di/dt-rcd检测短路保护测试实验：实验测试：本实验使用双脉冲测试(dpt)电路模拟ful短路故障，并通过di/dt-rcd检测与di/dt-rc检测分别实现了ful短路保护。对比验证了di/dt-rcd检测的作用。下面介绍了具体的平台结构、测试方法、关键参数设定和实验结果。dpt实验平台结构如下：表4集成了di/dt-rcd检测的dpt实验平台如图6所示。本实验将对平台的下管模拟ful故障并保护，该实验平台包括示波器、脉冲发生器、低压电源、负载电感lload、上管、下管、高压电源、rcd积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路。图7为图6的原理图，表4为两图中各原件的对应关系。其中高压电源vdc向上、下管(上、下sicmosfet)组成半桥电路供电，上管并联一个负载电感lload，下管的开尔文源极和功率源极之间串联寄生电感lss，rcd积分电路、复位电路、比较和逻辑关断电路按照图3的连接方式构成短路保护电路pcb，短路保护电路pcb上有三个电源接口、一个rcd积分正接口、一个rcd积分负接口和一个保护关断接口，其中三个电源接口分别接低压电源提供的+15v、0v和-5v电压，另外rcd积分正接口①、rcd积分负接口②、保护关断接口③分别对应连接下管的开尔文源极、功率源极、驱动脉冲vgs；示波器未在图7中标出，其记录的波形数据为：下管的漏源电流ids、rcd积分电路的积分电容输出电压vo、比较和逻辑关断电路中关断mosfetmso的栅极电压vgs_moff；下管为待保护的宽禁带半导体sicmosfet，上管为额定电流值大于下管额定电流值的sicmosfet；脉冲发生器用于产生上、下管的控制脉冲(可用dsp、脉冲发生模拟电路等装置实现脉冲发生器功能)，该脉冲经过驱动电路产生驱动脉冲vgs0、vgs。驱动电路内对应上、下管分别有一个栅极电阻，上、下管各自连接一个栅极电阻rg0、rg。图7将图6中的脉冲发生器和驱动电路简化为vgs0、rg0、vgs和rg用于表示控制上、下管的开启与关断。驱动电路的具体结构为现有成熟技术，在此不再赘述。本实验模拟了下管(指的被保护的sicmosfet)的ful故障，并完成了di/dt-rcd检测的性能测试，测试方法和关键参数设定如下：首先，低压电源供电，使装置的低压电路部分(驱动和短路保护电路pcb两部分)得以运行。按照图8的脉冲序列设定图6中脉冲发生器的脉冲和驱动电路的电压，从而使图6中的上、下管按图8的脉冲序列开通与关断。在图8中，脉冲的时间间隔按照表5所示设定，脉冲的电压按照图8所示设定。表5t1_1-t1_2t1_2-t1_3t1_3-t1_4t1_4-t1_520us5us1us2us需要注意在实验中的时间间隔无法与表5完全准确一致，但该实验误差不会影响短路保护的测试结果。设定图6中高压电源vdc输出300v，负载电感为200uh。按动脉冲发生器的触发按钮，上、下管会按图8的脉冲序列开通与关断。具体来说：在t1_1到t1_2时间段，下管为开启状态，高压电源、负载电感lload和下管形成通路。通路流过的电流iload开始从零增加，使通路电流iload达到下管的额定电流值，t1_1-t1_2时长设定约为20us。这在t1_2到t1_3时段，下管为关闭状态，负载电感lload上的通路电流iload通过上管的体二极管续流，电流大小基本维持在t1_2时刻的大小。t1_2到t1_3时间间隔的作用是使下管完全关断后再开启，因此t1_2-t1_3时间间隔大于1us即可。在t1_3时刻，再次将下管打开，高压电源、负载电感lload和下管再次形成通路，通路的电流iload从t1_2时的电流大小继续增加。在t1_4时刻，打开上管，这相当于在下管开启(t1_3时刻)之后突然把下管短路，即模拟了下管发生了ful短路故障。t1_3到t1_4时间间隔的作用是使下管完全开启后再使上管开启，因此t1_3到t1_4时间间隔大于1us即可。选取的上管的额定电流值应大于下管额定电流值，并且上管开通足够快，因此此处选用了额定电流更大的sicmosfet作为上管。为了避免短路保护电路不起作用造成对sicmosfet的损害，在t1_5时刻同时关闭了上、下管。t1_4到t1_5时间间隔设定为2us，这样既能验证保护电路的作用，又能确保器件不受损害。除上述实验方法外，还有一些参数和计算结果。首先，在短路保护电路pcb中的所有器件参数已在表1、表2、表3中列出。其次，用于短路测试的sicmosfet的额定工作电流为30a。最后，根据公式(2)，积分电容输出电压vo与漏源电流ids的比例系数a为1/47，此处设置的比较器u1阈值电压v(th)设置为-1.8v，对应的阈值电流为84.6a(1.8*47)。使用上述dpt实验平台完成di/dt-rcd检测在ful故障下的保护测试后还需进行di/dt-rc检测在ful故障下的保护测试作为对比验证。实现方法为：在上述dpt实验平台的基础上，将dpt实验平台中的rcd电路的阻断二极管dblo(dblo具体位置见图3)的两端短接即可。因为复位电路不会影响di/dt-rc检测的保护效果，所以未将复位电路去除。示波器记录的波形和试验方法与di/dt-rcd检测相同。实验结果：ful情况下的短路保护实验结果如图9所示，其中(a)和(b)分别是所提出的di/dt-rcd检测和di/dt-rc检测的实验结果。为了方便观察，图9的波形只截取了第二个脉冲的(图8中t1_3到t1_5时段)的波形，并将其细分为t1、t2、t3、t4、t5和t6这六个时间节点。在图9中：时间t1-t2是dpt中第二个脉冲的上升过程(sicmosfet开启)。在t3时刻(对应图8中t1_4时刻)，dpt实验平台的上管开通，模拟出了ful故障。在t4时刻，积分电容输出电压vo达到短路保护设定的阈值电压v(th)。在实验中，短路保护的阈值电压v(th)为-1.8v。根据公式(2)，-1.8v对应的阈值电流为84.6a(1.8*47)。t5时刻是关断mosfetmso(短路保护中控制sicmosfet关断的信号级mosfet)的栅极电压vgs_moff开始上升的时刻。时间t4到t5约为16ns，这是逻辑延迟时间。在t6时，关断mosfetmso已打开，然后sicmosfet关闭了。二者保护效果数据见表6。表6rc与rcd积分电路保护效果对比积分电路理论阈值电流实际阈值电流检测误差短路极限电流总保护时间rc84.6a128a51.3％150a110nsrcd84.6a90a6.4％132a60ns可以看出，与rc积分电路相比，所提出的rcd积分电路在ful故障的情况下可将检测误差降低44.9％，将保护时间(图9中t3-t6)降低50ns。此外，应注意的是，为了使di/dt-rc检测能够实现短路保护功能，在整个实验(包括di/dt-rc检测与di/dt-rcd检测短路保护测试实验)过程中设置的阈值电流略小于额定电流的三倍。但是发明的di/dt-rcd检测(因具有较小检测误差)可以把短路保护的阈值电流设置为额定电流的四倍。较大的阈值电流最大程度的降低了sicmosfet开关瞬态因漏源电流ids振荡造成误保护的风险。本发明未述及之处适用于现有技术。当前第1页12