一種dv/dt檢測與保護裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種DV/DT檢測裝置，尤其涉及一種DV/DT檢測與保護裝置及方法，屬 于智能功率驅動模塊的技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著電子電力技術的不斷進步，高壓柵極驅動電路以及智能功率模塊（將高壓柵 極驅動電路以及功率器件合封在一起的功率驅動模塊）在馬達、自動化、電源系統等多個 領域發揮著越來越重要的作用。
[0003] 高壓半橋拓撲是高壓柵極驅動電路最典型應用場景。高壓柵極驅動電路、高側功 率器件（M0S或者IGBT)、低側功率器件一起組成半橋驅動拓撲。如圖1所示，柵極驅動電路 按照工作電源電壓分主要包括高側驅動電路和低側驅動電路，其中高側驅動電路的輸出HO 控制高側MOSFETMl的開關，而低側驅動電路的輸出LO控制低側MOSFETM2的開關。通過 自舉二極管Dbs和自舉電容Cbs組成的自舉浮動電源用來給高側驅動電路提供電源。因此 高側驅動電路的浮動地VS隨著功率器件的開關狀態而變化。如圖2所示，HO由低變為高 時，LO輸出低，高側MOSFETMl導通，半橋驅動系統的輸出節點VS從地電位以DV/DT速率切 換至功率電源電壓。為了提高半橋系統的效率，降低功率器件在開關過程中的功耗，需要讓 功率器件以更快的速度切換。但是VS以DV/DT速率變化會存在兩方面不好的機制：一是當 VS以DV/DT的速率變化，寄生電容Cds上會流過位移電流（Idl)，該電流會在柵極驅動電路 的輸出阻抗或者電容Cgs上產生壓降，如果該壓降超過了MOSFET的閾值，就會引起MOSFET 的誤導通；二是當VS以DV/DT的速率變化，寄生電容Cdb上同樣會流過位移電流（Id2)，該 電流在寄生電阻Rb上產生的壓降如果大于寄生三極管NPN的開啟電壓，同樣會引起NPN的 導通，進而觸發大電流。如果VS的變化速率DV/DT超過了限定的范圍，上述兩種機制都會 引起低側MOSFETM2誤導通從而引起高低側MOSFET的直通或者引起M2的閂鎖，進而對M2 造成永久性的毀壞。如何讓功率器件以更安全的DV/DT開關速率工作，現有技術主要通過 外圍分立器件來調整柵極驅動電路的輸出驅動能力，進而調整DV/DT。
[0004] 但是這種方式增加了使用成本，且不太利于應用印刷電路板（PCB)的布局，容易 增加各種寄生干擾因素；另外這種方式不適用于對全集成的智能功率模塊，無法有效方便 地調整DV/DT，從而對功率器件起到保護作用。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種DV/DT檢測與保 護裝置及方法，解決現有技術通過外圍分立器件來調整柵極驅動電路的輸出驅動能力，不 適用于對全集成的智能功率模塊，無法有效方便地調整DV/DT的問題。
[0006] 本發明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：
[0007] 一種DV/DT檢測與保護裝置，包括：
[0008] DV/DT檢測電路，用于檢測DV/DT的電壓變化量；該電路包括若干個高壓MOS管、 電阻、箝位二極管及寄生電容，其中高壓MOS管的柵端接入輸入信號，該高壓MOS管的漏 端連接電阻且源端接公共地；所述電阻的兩端連接箝位二極管；所述寄生電容連接于高壓 MOS管的漏端和源端之間；
[0009] DV/DT比較電路，用于根據所述電壓變化量確定電壓變化量所屬DV/DT級別，及根 據DV/DT級別配置用于控制輸出驅動調整電路工作模式的信號；
[0010] 輸出驅動調整電路，用于根據控制信號配置工作模式及輸出驅動能力，以確保功 率器件工作在安全DV/DT范圍內。
[0011] 進一步地，作為本發明的一種優選技術方案：所述DV/DT檢測電路檢測由DV/DT而 引起的寄生電容的位移電流在電阻上的電壓變化獲得電壓變化量。
[0012] 進一步地，作為本發明的一種優選技術方案：所述DV/DT比較電路包括若干個比 較電平及與之連接的窗口比較器。
[0013] 進一步地，作為本發明的一種優選技術方案：所述窗口比較器在DV/DT檢測電路 中電阻的電壓變化量都滿足比較電平時，配置控制信號輸出。
[0014] 進一步地，作為本發明的一種優選技術方案：所述輸出驅動調整電路通過調整輸 出驅動管的阻抗或者電源電壓實現驅動能力的調整。
[0015] 本發明還提供一種基于上述DV/DT檢測與保護裝置的保護方法，包括步驟：
[0016] 檢測獲得DV/DT的電壓變化量；
[0017] 將檢測獲得DV/DT的電壓變化量與預設的DV/DT級別范圍比較，確定電壓變化量 所屬DV/DT級別；
[0018] 將電壓變化量的DV/DT級別與預設DV/DT安全級別對比，當電壓變化量的DV/DT 級別值超過DV/DT安全級別時，通過調整輸出驅動能力，以確保被驅動的功率器件工作在 安全的DV/DT范圍。
[0019] 進一步地，作為本發明的一種優選技術方案：所述DV/DT的電壓變化量與DV/DT級 別成正比關系。
[0020] 進一步地，作為本發明的一種優選技術方案：所述DV/DT級別范圍至少包括兩個 級別?Il圍。
[0021] 進一步地，作為本發明的一種優選技術方案：所述電壓變化量的DV/DT級別值超 過DV/DT安全限值時，逐漸降低所輸出的驅動能力。
[0022] 進一步地，作為本發明的一種優選技術方案：所述降低輸出驅動能力通過增加輸 出驅動管的阻抗或者降低電源電壓方式來實現。
[0023] 本發明采用上述技術方案，能產生如下技術效果：
[0024] (1)本發明所提供的DV/DT檢測與保護裝置及方法，通過自動檢測功率器件開關 過程中的DV/DT，當DV/DT超過設定的閾值時，驅動電路會自動調整輸出驅動能力，使功率 器件工作在合理安全的DV/DT范圍；電路實現方式簡單，可靠性和集成度高，不需要額外的 外圍器件，適用于橋式電路、智能功率模塊等各種應用。
【附圖說明】
[0025] 為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本 領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的 附圖。
[0026] 圖1為現有技術中半橋驅動拓撲結構。
[0027] 圖2為現有技術中DV/DT引起的MOSFET失效機制。
[0028] 圖3為本發明的DV/DT檢測與保護裝置的結構示意圖。
[0029] 圖4為本發明中DV/DT比較電路的結構示意圖。
[0030] 圖5(a)為本發明中DV/DT比較電路的正常電平轉換過程工作波形；圖5(b)為本 發明中DV/DT比較電路的DV/DT較小過程工作波形；圖5 (c)為本發明中DV/DT比較電路的 DV/DT較大過程工作波形。
[0031] 圖6為本發明中DV/DT比較電路的判定示意圖。
[0032] 圖7為本發明中輸出驅動調整電路的實施方式1的示意圖。
[0033] 圖8為本發明中輸出驅動調整電路的實施方式2的示意圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面結合附圖對本發明實施例進行詳細描述。應當明確，所描述的實施例僅僅是 本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員 在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0035] 本發明提供的DV/DT檢測與保護的裝置，包括DV/DT檢測電路、DV/DT比較電路以 及輸出驅動調整電路；其中DV/DT檢測電路包括若干個高壓MOS管、電阻、箝位二極管及寄 生電容。在本實施例中，如圖3所示，DV/DT檢測電路包括第一及第二高壓MOS管，第一及第 二電阻，第一及第二箝位二極管，以及第一及第二寄生電容；所述第一高壓MOS管MA1，其柵 端接輸入信號INl，漏端接第一電阻Rl，第一電阻Rl的另一端接浮動電源VB;第一高壓MOS 管MAl的源端接公共地VSS，第一電阻Rl的兩端接第一箝位二極管Dl;對于第二高壓MOS 管MA2,其柵端接輸入信號IN2,漏端接第二電阻R2,第二電阻R2的另一端接浮動電源VB; 第二高壓MOS管MA2的源端接公共地VSS，第二電阻R2的兩端接第二箝位二極管D2。且第 一寄生電容Cparl連接于第一高壓MOS管MAl的漏端和源端之間，第二寄生電容Cpar2連 接于第二高壓MOS管MA2的漏端和源端之間；該檢測電路還實現了高壓電平轉換功能，將低 電壓域的輸入INl和IN2轉換為高電壓域的信號。檢測電路是檢測DV/DT而引起的寄生電 容的位移電流在電阻上的電壓變化獲得電壓變化量。
[0036] 第一高壓MOS管MAl和第二高壓MOS管MA2的漏端檢測到電壓變化量送到DV/DT 比較電路與內部的基準窗口比較，并輸出至少一位的控制信號配置輸出驅動調整電路的工 作模式，來調整輸出驅動能力。輸出驅動調整電路，根據控制信號調整及輸出不同工作模式 下的驅動能力，以確保功率器件工作在安全DV/DT范圍內。
[0037] 在本實施例中，還給出了裝置中DV/DT比較電路的具體實施實例，如圖4所示，包 括了一個比較電平Vref，窗口比較器Compl和Comp2,兩個比較器的反相輸入端都與比較電 平Vref相連接，兩個窗口比較器的正相輸入端分別接高壓電平轉換電路的輸出節點A和 B，兩個窗口比較器的輸出CA和CB與或非門Norl的兩個輸入端相連接，Norl的輸出端接 RS-Latch的S端，RS-Latch的R端接復位信號UVLO。其工作過程如下，當高側MOSFET導通 時，半橋電路的輸出節點VS會以DV/DT的速率變化。因為高側驅動電路采樣自舉電容Cbs 提供浮動電源，當VS以DV/DT的速率變化，高側驅動電路的電源VB也會以DV/DT的速率跟 隨變化。此時，由于VB的DV/DT變化，會在高壓電平轉換電路中第一高壓MOS管Ml和第二 高壓MOS管M2的第一寄生電容Cparl和第二寄生電容Cpar2上分別產生位移電流。該電 流會流過高壓電平轉換電路中的第一電阻Rl和第二電阻R2,在兩個電阻上產生壓降等于
MA2都盡可能地匹配。所以如果浮動電源VB上有DV/DT的電壓變化時，在兩個電阻上產生的 壓降應該基本一致。所產生的壓降分別與窗口比較器的比較電平比較，如果兩電阻上的電 壓變化同時滿足條件，則或非門輸出高電平，并將RS-Latch置位，輸出高電平有效的Gate_ control信號。如圖5(a)所示，當高壓電平轉換器正常轉換信號時，比如第二高壓MOS管 M2接收到信號，第一高壓MOS管Ml關閉，此時只有第二電阻R2有電壓變化，第一電阻Rl沒 有，所以DV/DT比較電路輸出低電平的Gate_control。如果功率器件開關在VB上DV