一种适用于串联SiCMOSFET的短路保护电路

本发明属于电力电子技术与电工，涉及一种适用于串联sic mosfet的短路保护电路。

背景技术：

1、sic mosfet凭借其高击穿电压、低导通损耗以及高开关速度等优点，在诸如新能源发电、轨道交通运输、直流输配电等中高压大功率电力电子应用领域展现出巨大的应用潜力。然而，囿于结构与工艺，目前商用分立式sic mosfet最高承压仅为1700伏。为使其能够应用于更高电压，通常采用直接串联的方式提升sic mosfet模块的耐压等级。

2、在sic mosfet直接串联应用中，由于各驱动单元间相互独立，当串联模块发生短路故障时，会造成其中一只sic mosfet率先进入饱和区并触发自身驱动短路保护。该驱动在检测到sic mosfet工作饱和区后将关断该sic mosfet以避免其过流损坏。然而，单只sicmosfet的率先关断将使其承受整个母线电压进而过压损坏；同时，该sic mosfet的关断也将切断短路电流，无法触发串联模块内的其它驱动的退饱和检测功能，进而无法实现串联模块整体的短路保护。

技术实现思路

1、为了解决n只直接串联的sic mosfet在发生短路故障时，各sic mosfet进入饱和区时间不一致所引起的单只sic mosfet率先关断而过压击穿的问题，本发明采用的技术方案是：一种适用于串联sic mosfet的短路保护电路，包括n个短路保护子电路，所述n个短路保护子电路分别与n个串联sic mosfet一一对应连接，其中n≥2；

2、所述短路保护子电路包括驱动电路、门极分压电路和故障保护电路；

3、所述门极分压电路检测所驱动sic mosfet门极与源极之间的电压，并输出门极状态反馈信号vgs2；

4、所述故障保护电路位于所述驱动电路与对应sic mosfet之间，接收所述门极分压电路传送的门极状态反馈信号vgs2、故障重置信号以及与该sic mosfet漏极相邻连接sicmosfet的短路故障信号，通过与对应sic mosfet的漏极相连接，检测其导通压降以识别短路故障，当存在短路故障时，所述故障保护电路激活自身对应的驱动电路故障保护功能，同时向与自身对应连接sic mosfet的源极相邻连接的sic mosfet输出短路故障信号。

5、进一步地：所述驱动电路采用的芯片型号为adum4135、acpl-351j、ucc21710或si8285其中任意一个。

6、进一步地：所述门极分压电路包括分压电阻r1、分压电阻r2、分压电阻r3以及电容c1，正5v驱动电源与分压电阻r2一端相连接，所述分压电阻r2的另一端与分压电阻r3一端及分压电阻r1一端相连接，所述分压电阻r1的另一端与故障保护电路相连接，所述分压电阻r3的另一端与对应连接的sic mosfe的源极及电容c1的一端相连接；所述分压电阻r1一端和分压电阻r3的一端还与电容c1的另一端相连接。

7、进一步地：所述故障保护电路包括高压快恢复二极管da、高压快恢复二极管db、高速比较器、逻辑门电路、rs锁存器、高速光耦、常闭模拟开关sa2；

8、所述高压快恢复二极管da的阴极、高压快恢复二极管db的阴极与sic mosfet的漏极连接，用于阻断sic mosfet关断时所承受的高压；

9、比较器uca比较sic mosfet导通压降与参考电压vref1，并在导通压降超出参考电压时输出高电平信号；

10、比较器ucb比较门极分压电路输出电压vgs2与参考电压vref2，并在vgs2高于vref2时输出高电平信号；

11、逻辑门电路及rs锁存器在sic mosfet自身发生短路故障或接收到与漏极相邻sicmosfet的短路故障信号时持续输出高电平，rs锁存器的输出一方面通过高速光耦向与源极相邻sic mosfet发送隔离的短路信号，另一方面断开常闭模拟开关sa2，触发自身连接驱动电路的退饱和检测作用并关断所驱动的sic mosfet。

12、进一步地：所述分压电阻r1，分压电阻r2，分压电阻r3取值分别为10kω、30kω、8kω，电容c1取值为sic mosfet输入电容cies的10倍，通常为1nf~15nf。

13、进一步地：所述高压恢复二极管da、高压恢复二极管db型号为us1m。

14、进一步地：所述rs锁存器芯片型号为xl74ls279。

15、进一步地：所述参考电压由电压基准芯片tl431提供，vref1取值7v，vref2取值3.5v。

16、本发明提供一种用于串联sic mosfet的短路保护电路，该电路通过高速比较器、逻辑单元及高速光耦实现各串联sic mosfet短路故障的检测。同时，通过在传统具备退饱和检测功能的驱动芯片基础上，附加模拟开关实现短路保护。本发明可将串联sic mosfet短路故障信号同时传导至所有串联sic mosfet的驱动单元中，且整个电路无需采用额外隔离电源，易于与常用sic mosfet驱动芯片集成。

17、具有以下优点：当串联sic mosfet中任一只sic mosfet因为短路故障而率先进入饱和区时，其在保护电路作用下关断的同时向相邻sic mosfet发出故障信号，进而在关断相邻sic mosfet的同时进一步向其它剩余sic mosfet传递故障信号并完成整个串联模块的关断，避免了单只sic mosfet率先进入饱和区独自承担整个串联母线电压而击穿损毁。本发明易于与传统sic mosfet驱动电路集成，且无需额外隔离电源，电路结构简单，成本低。

技术特征：

1. 一种适用于串联sic mosfet的短路保护电路，其特征在于：包括n个短路保护子电路，所述n个短路保护子电路分别与n个串联sic mosfet一一对应连接，其中n≥2；

2.根据权利要求1所述的一种适用于串联sic mosfet的短路保护电路，其特征在于：所述驱动电路采用的芯片型号为adum4135、acpl-351j、ucc21710或si8285其中任意一个。

3.根据权利要求1所述的一种适用于串联sic mosfet的短路保护电路，其特征在于：所述门极分压电路包括分压电阻r1、分压电阻r2、分压电阻r3以及电容c1，正5v驱动电源与分压电阻r2一端相连接，所述分压电阻r2的另一端与分压电阻r3一端及分压电阻r1一端相连接，所述分压电阻r1的另一端与故障保护电路相连接，所述分压电阻r3的另一端与对应连接的sic mosfe的源极及电容c1的一端相连接；所述分压电阻r1一端和分压电阻r3的一端还与电容c1的另一端相连接。

4.根据权利要求1所述的一种适用于串联sic mosfet的短路保护电路，其特征在于：所述故障保护电路包括高压快恢复二极管da、高压快恢复二极管db、高速比较器、逻辑门电路、rs锁存器、高速光耦、常闭模拟开关sa2；

5.根据权利要求1所述的一种适用于串联sic mosfet的短路保护电路，其特征在于：所述分压电阻r1，分压电阻r2，分压电阻r3取值分别为10kω、30kω、8kω，电容c1取值为sicmosfet输入电容cies的10倍，通常为1nf~15nf。

6.根据权利要求1所述的一种适用于串联sic mosfet的短路保护电路，其特征在于：所述高压恢复二极管da、高压恢复二极管db型号为us1m。

7.根据权利要求1所述的一种适用于串联sic mosfet的短路保护电路，其特征在于：所述rs锁存器芯片型号为xl74ls279。

8.根据权利要求1所述的一种适用于串联sic mosfet的短路保护电路，其特征在于：所述参考电压由电压基准芯片tl431提供，vref1取值7v，vref2取值3.5v。

技术总结
本发明提供一种适用于串联SiC MOSFET的短路保护电路，包括n个短路保护子电路，n个短路保护子电路分别与n个串联SiC MOSFET一一对应连接，其中n≥2；所述短路保护子电路包括传统驱动电路、门极分压电路和故障保护电路；门极分压电路检测SiC MOSFET门极电压并向故障保护电路传输门极状态信号；故障保护电路在门极状态信号控制下通过检测相连接SiC MOSFET导通压降以识别短路故障，当短路发生时，所述故障保护电路在关断自身连接SiC MOSFET的同时向相邻SiC MOSFET传输故障信号以实现整个串联模块短路保护。本发明易于与传统SiC MOSFET驱动芯片集成，且无需额外隔离电源供电，电路结构简单。

技术研发人员：周野,刘凯旋,牛小兵,薛征宇,史鹏飞
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/20