一種基于絕緣體上硅芯片的高溫驅動保護電路的制作方法

本發明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種基于絕緣體上硅芯片的高溫驅動保護電路。

背景技術：

碳化硅半導體器件具有開關速度高、關斷耐壓高、溫度耐受高的卓越特性，極其適合高溫環境下的電力電子應用。隨著制造工藝的快速發展，器件高壓耐受能力、開關速度已經得到了飛躍式的提升，器件高溫工作能力開始成為研究的焦點，相信高溫器件也將迅速出現。

現有碳化硅器件中，以場效應管最為適合高溫環境下的應用，為了充分利用碳化硅功率場效應管的高溫工作潛力，需要能夠同樣用于高溫環境的驅動保護電路配合工作。然而，由于碳化硅集成電路技術尚未成熟，現今市場上并無碳化硅集成電路產品，少有的工程原型功能極其有限且耗資巨大，驅動保護電路的構建仍無法采用碳化硅絕緣柵場效應管技術。由于基于傳統技術硅集成電路的驅動保護電路僅為85攝氏度，無法在高于85攝氏度的環境溫度下工作，更無法配合碳化硅功率絕緣柵場效應工作高于150攝氏度的環境溫度中。因此需要提供一種高溫驅動保護電路，使高溫碳化硅功率場效應管得到良好的驅動和保護。

技術實現要素：

為了滿足現有技術的需要，本發明提供了一種基于絕緣體上硅芯片的高溫驅動保護電路。

本發明的技術方案是：

所述高溫驅動保護電路包括飽和監測電路，以及依次連接的隔離電路、PWM脈沖調理電路、保護邏輯電路和驅動電路；

所述驅動電路的輸出端分別與碳化硅絕緣柵場效應管器件的柵極端子和源極端子連接；

所述飽和監測電路包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端；所述第一輸入端與PWM脈沖調理電路的輸出端連接，第二輸入端與所述碳化硅絕緣柵場效應管器件的漏極端子連接，輸出端分別與所述隔離電路和保護邏輯電路連接。

優選的，所述隔離電路包括第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端；

所述第一輸入端與碳化硅絕緣柵場效應管器件的控制回路連接，用于接收所控制回路輸 出的PWM脈沖信號；

所述第一輸出端分別與所述PWM脈沖調理電路的輸入端和所述驅動電路的輸出端連接，向PWM脈沖調理電路和驅動電路發送所述PWM脈沖信號；

所述第二輸入端與所述飽和監測電路連接，當碳化硅絕緣柵場效應管器件進入過流飽和狀態時，接收飽和監測電路發送的Saturation FLT信號；

所述第二輸出端也與所述控制回路連接，向其發送所述Saturation FLT信號；

優選的，所述隔離電路采用絕緣體上芯片組CHT-RHEA；

優選的，所述PWM脈沖調理電路包括第一與門電路、第二與門電路，以及串聯連接的第一反相器和第二反相器，串聯連接的第三反相器和第四反相器；

所述第一反相器的輸入端與第二與門電路的輸入端連接，輸出端與第一與門電路的輸入端連接；第一與門電路的輸出端與第三反相器連接；

所述第二反相器的輸出端分別與第一與門電路和第二與門電路的輸入端連接；

所述四反相器的輸出端與所述保護邏輯電路連接，輸出Periodically Reset信號，用于在每個PWM脈沖信號的周期對保護邏輯電路進行復位；

所述第二與門電路的輸出端與所述飽和監測電路連接，輸出Detection Enable信號，用于控制所述飽和監測電路開始工作或者停止工作；

優選的，所述第一反相器、第二反相器、第三反相器和第四反相器均采用絕緣體上芯片組CHT-7404；所述第一與門電路和第二與門電路均采用絕緣體上芯片組CHT-7408；

優選的，所述保護邏輯電路包括第一二極管、第二二極管、第一反相器和第二反相器；

所述第一二極管的陰極與第一反相器的輸入端連接，陽極分別與隔離電路和飽和監測電路連接；

所述第二二極管的陰極與第二反相器的輸入端連接，陽極與PWM脈沖調理電路連接；

所述第一反相器的輸入端與第二反相器的輸出端連接，第一反相器的輸出端與驅動電路連接，向其輸出PWM Enable信號，用于控制驅動電路對PWM脈沖信號進行響應；

所述第二反相器的輸入端與第一反相器的輸出端連接，第二反相器的輸出端也與驅動電路連接，向其輸出Soft Turn-off信號，用于控制驅動電路進行軟關斷操作；

優選的，所述第一反相器和第二反相器均采用絕緣體上芯片組CHT-7404；

優選的，所述驅動電路包括半橋驅動器、第一場效應管、第二場效應管和第三場效應管；

所述半橋驅動器的輸入端接收所述保護邏輯電路連接發送的PWM Enable信號，輸出端分別與第一場效應管的柵極和第二場效應管的柵極連接；

所述第一場效應管的源極與所述碳化硅絕緣柵場效應管器件的柵極端子連接；

所述第二場效應管的漏極也與所述碳化硅絕緣柵場效應管器件的柵極端子連接；

所述第三場效應管的柵極接收保護邏輯電路發送的Soft Turn-off信號，漏極連接于第二場效應管的漏極與所述柵極端子之間，源極接地；

優選的，所述半橋驅動器采用絕緣體上芯片CHT-HYPERION，第一場效應管和第二場效應管均采用絕緣體上硅場效應管CHT-MOON，第三場效應管采用絕緣體上硅場效應管CHT-NMOS4005；

優選的，所述飽和監測電路包括比較器；

所述比較器的一個輸入端與所述碳化硅絕緣柵場效應管器件的漏極端子連接，采集漏極端子電壓；另一個輸入端接入參考電壓；輸出端分別所述隔離電路和保護邏輯電路連接，輸出Saturation FLT信號；

當所述漏極端子電壓大于參考電壓時，Saturation FLT信號為高電平；

所述比較器采用絕緣體上芯片CHT-VOLGA。

與最接近的現有技術相比，本發明的優異效果是：

1、本發明提供的一種基于絕緣體上硅芯片的高溫驅動保護電路，充分利用絕緣體上芯片的高溫性能，實現了無需使用額外的制冷模塊就可以工作在高溫環境下的碳化硅絕緣柵場效應管器件高溫驅動保護電路，極其適用于高溫環境下對于碳化硅絕緣柵場效應管器件的驅動保護；

2、本發明提供的一種基于絕緣體上硅芯片的高溫驅動保護電路，有效保證了碳化硅絕緣柵場效應管器件的控制回路與功率回路的電氣隔離，為大功率的碳化硅絕緣柵場效應管器件提供了充足的驅動電流，能夠有效的監測碳化硅絕緣柵場效應管器件過流故障并且做出保護動作使其在損壞之前關斷。

附圖說明

下面結合附圖對本發明進一步說明。

圖1：本發明實施例中一種基于絕緣體上硅芯片的高溫驅動保護電路結構示意圖；

圖2：本發明實施例中隔離電路結構示意圖；

圖3：本發明實施例中PWM脈沖調理電路圖；

圖4：本發明實施例中飽和監測電路圖；

圖5：本發明實施例中保護邏輯電路圖；

圖6：本發明實施例中驅動電路圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

本發明提供的一種基于絕緣體上硅芯片的高溫驅動保護電路，靈活運用現有的高溫絕緣體上芯片，改變傳統驅動保護電路無法在高溫工作的現狀，使得碳化硅絕緣柵場效應管器件的驅動保護電路，如碳化硅場效應管，可以同碳化硅絕緣柵場效應管器件一同在高溫中工作。

本發明中一種基于絕緣體上硅芯片的高溫驅動保護電路的實施例如圖1所示，具體為：

該高溫驅動保護電路的輸入信號為碳化硅絕緣柵場效應管器件的控制回路輸出的PWM脈沖信號，輸出信號為Saturation FLT信號。其主要電路結構包括隔離電路、PWM脈沖調理電路、保護邏輯電路、驅動電路和飽和監測電路。其中，

隔離電路、PWM脈沖調理電路、保護邏輯電路和驅動電路依次連接；驅動電路的輸出端分別與碳化硅絕緣柵場效應管器件的柵極端子和源極端子連接；

飽和監測電路包括第一輸入端、第二輸入端和輸出端；第一輸入端與PWM脈沖調理電路的輸出端連接，第二輸入端與碳化硅絕緣柵場效應管器件的漏極端子連接，輸出端分別與隔離電路和保護邏輯電路連接。

1、隔離電路

該隔離電路為碳化硅絕緣柵場效應管器件的控制回路與高溫驅動保護電路的信號電氣隔離電路，傳輸PWM脈沖信號和Saturation FLT信號。如圖2所示，

如圖1所示，隔離電路包括第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端。其中，

第一輸入端與碳化硅絕緣柵場效應管器件的控制回路連接，用于接收碳化硅絕緣柵場效應管器件的控制回路輸出的PWM脈沖信號；

第一輸出端分別與PWM脈沖調理電路的輸入端和驅動電路的輸出端連接，向PWM脈沖調理電路和驅動電路發送上述PWM脈沖信號；

第二輸入端與飽和監測電路連接，當碳化硅絕緣柵場效應管器件進入過流飽和狀態時，接收飽和監測電路發送的Saturation FLT信號；

第二輸出端與碳化硅絕緣柵場效應管器件的控制回路連接，用于向碳化硅絕緣柵場效應 管器件的控制回路發送上述Saturation FLT信號。

本實施例中，

①：PWM脈沖信號指的是脈寬調制脈沖信號(Pulse Width Modulation，PWM)，是用來控制碳化硅場效應管開通與關斷的信號；

②：Saturation FLT信號指的是飽和故障信號，是用來表示碳化硅場效應管進入過流飽和狀態的信號。

如圖2所示，本實施例中隔離電路采用絕緣體上芯片組CHT-RHEA。

2、PWM脈沖調理電路

該PWM脈沖調理電路對接收到的PWM脈沖信號進行整形，得到滿足飽和監測電路和保護邏輯電路需要的信號，即Detection Enable信號和Periodically Reset信號。

如圖3所示，PWM脈沖調理電路包括第一與門電路、第二與門電路，以及串聯連接的第一反相器和第二反相器，串聯連接的第三反相器和第四反相器。其中，

第一反相器的輸入端與第二與門電路的輸入端連接，輸出端與第一與門電路的輸入端連接；第一與門電路的輸出端與第三反相器連接；

第二反相器的輸出端分別與第一與門電路和第二與門電路的輸入端連接；

四反相器的輸出端與所述保護邏輯電路連接，輸出Periodically Reset信號。

第二與門電路的輸出端與所述飽和監測電路連接，輸出Detection Enable信號。

本實施例中上述第一反相器、第二反相器、第三反相器和第四反相器均采用絕緣體上芯片組CHT-7404；第一與門電路和第二與門電路均采用絕緣體上芯片組CHT-7408。

本實施例中，

①：Periodically Reset信號指的是周期性復位信號，是用來在每個PWM脈沖周期對于保護邏輯電路進行復位的信號；

②：Detection Enable信號指的是監測使能信號，是控制飽和監測電路工作起止的信號。

3、保護邏輯電路

該保護邏輯電路依據Periodically Reset信號和Saturation FLT信號，判斷碳化硅絕緣柵場效應管器件是否需要進行斷開保護。

如圖5所示，保護邏輯電路包括第一二極管、第二二極管、第一反相器和第二反相器。其中，

第一二極管的陰極與第一反相器的輸入端連接，陽極分別與隔離電路和飽和監測電路連接；

第二二極管的陰極與第二反相器的輸入端連接，陽極與PWM脈沖調理電路連接；

第一反相器的輸入端與第二反相器的輸出端連接，第一反相器的輸出端與驅動電路連接，向其輸出PWM Enable信號。

第二反相器的輸入端與第一反相器的輸出端連接，第二反相器的輸出端也與驅動電路連接，向其輸出Soft Turn-off信號。

本實施例中上述第一反相器和第二反相器均采用絕緣體上芯片組CHT-7404。

本實施例中，

①：PWM Enable信號指的是PWM輸出使能信號，是控制驅動電路對PWM信號響應的信號；

②：Soft Turn-off信號指的是軟關斷信號，是控制驅動電路進行軟關斷操作的信號。

4、驅動電路

該驅動電路正常工作時將接收到的PWM脈沖信號轉換為PWM驅動信號輸出至碳化硅絕緣柵場效應管器件進行驅動，進入故障狀態時關斷PWM驅動信號的輸出，并在Soft Turn-off信號驅動下對碳化硅絕緣柵場效應管器件進行關斷。

如圖6所示，驅動電路包括半橋驅動器、第一場效應管、第二場效應管和第三場效應管。其中，

半橋驅動器的輸入端接收保護邏輯電路連接發送的PWM Enable信號，輸出端分別與第一場效應管的柵極和第二場效應管的柵極連接；

第一場效應管的源極與碳化硅絕緣柵場效應管器件的柵極端子連接；

第二場效應管的漏極也與碳化硅絕緣柵場效應管器件的柵極端子連接；

第三場效應管的柵極接收保護邏輯電路發送的Soft Turn-off信號，漏極連接于第二場效應管的漏極與所述柵極端子之間，源極接地。

本實施例中上述半橋驅動器采用絕緣體上芯片CHT-HYPERION，第一場效應管和第二場效應管均采用絕緣體上硅場效應管CHT-MOON，第三場效應管采用絕緣體上硅場效應管CHT-NMOS4005。

本實施例中驅動電路的工作過程為：

半橋驅動器將接收到的PWM脈沖信號轉換為驅動信號，并將該驅動信號分別發送到第一場效應管和第二場效應管。第一場效應管的源極通過電阻R15接入碳化硅絕緣柵場效應管器件的柵極，第二場效應管的漏極經過電阻R16也接入碳化硅絕緣柵場效應管器件的柵極，從而驅動碳化硅絕緣柵場效應管器件的柵極。當碳化硅絕緣柵場效應管器件發生過流飽和時， 第三場效應管在Soft Turn-off信號的驅動下導通，則與第三場效應管相連的電阻R14對碳化硅絕緣柵場效應管器件的柵極進行放電，從而使得碳化硅絕緣柵場效應管器件關斷。

5、飽和監測電路

該飽和監測電路通過漏極端子監測碳化硅絕緣柵場效應管器件的工作情況，在碳化硅絕緣柵場效應管器件飽和時發出Saturation FLT信號。

如圖4所示，飽和監測電路包括比較器。其中，

比較器的一個輸入端與碳化硅絕緣柵場效應管器件的漏極端子連接，采集漏極端子電壓；另一個輸入端接入參考電壓；比較器的輸出端分別隔離電路和保護邏輯電路連接，向隔離電路和保護邏輯電路輸出Saturation FLT信號；

當漏極端子電壓大于參考電壓時，Saturation FLT信號為高電平。

本實施例中，比較器采用絕緣體上芯片CHT-VOLGA。

本發明提供的一種基于絕緣體上硅芯片的高溫驅動保護電路，與傳統碳化硅絕緣柵場效應管器件的驅動保護裝置相比，利用了絕緣體上芯片的高溫性能，可運行在高于200攝氏度的高溫環境中，遠高于傳統驅動保護裝置工作溫度的上限，即85攝氏度。同時，有效保證了碳化硅絕緣柵場效應管器件的控制回路與功率回路的電氣隔離，為大功率碳化硅絕緣柵場效應管器件提供足夠的驅動電流，能夠有效的監測碳化硅絕緣柵場效應管器件是否發生過流故障并做出保護動作，使其在損壞之前關斷。

最后應當說明的是：所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本申請中的實施例，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，都屬于本申請保護的范圍。