一种短路与过载保护电路及空调的制作方法

本发明涉及金属氧化物半导体场效应管，特别是一种短路与过载保护电路及空调。

背景技术：

1、碳化硅（sic）金属氧化物半导体场效应管（mosfet）作为第三代宽禁带功率半导体器件的代表，凭借其高开关频率、低开关损耗、高击穿电压和优异的高温稳定性，在电动汽车、智能电网、可再生能源逆变器、轨道交通等高压、大功率、高频应用领域展现出显著优势，正逐步取代传统的硅基绝缘栅双极晶体管（igbt）。

2、然而，sic mosfet模块的广泛应用对其驱动与保护电路提出了严峻挑战，首先，sic mosfet模块的芯片面积小、电流密度高，导致其短路耐受时间极短，通常仅为2-7微秒，远低于硅基绝缘栅双极晶体管的10微秒以上；sic mosfet模块在短路时表现出“软饱和”特性，漏极电流在故障期间持续上升，而非趋于饱和，这使得传统的退饱和检测方法（借鉴自igbt保护）响应滞后，难以实现快速保护，如果保护时间超过其短路耐受时间，则可能损坏sic mosfet模块；

3、再者，除短路故障外，长时间的过载运行会导致器件内部热量积累，最终引发热逃逸失效，而现有保护方案大多仅关注短路保护，缺乏对过载失效的有效监测手段；

4、最后，在sic mosfet模块出现短路故障时，过高的电流下降率会在回路杂散电感上感应出巨大的电压尖峰，可能击穿sic mosfet模块，同时，故障信号在关断过程中可能因电流下降而消失，导致保护电路反复动作，系统陷入振荡；

5、因此，如何设计一种能够解决上述问题的短路与过载保护电路及空调，是业界亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中，退饱和检测方法短路保护响应速度慢，无法适应sic mosfet模块极短的短路耐受时间的问题，本发明提出了一种短路与过载保护电路及空调，旨在将开尔文源引脚与功率源引脚之间的寄生电感作为电流检测元件，从而无需设置消隐时间，实现纳秒级的故障响应。

2、本发明提出了一种短路与过载保护电路，包括sic mosfet模块，所述sic mosfet模块具有与功率源引脚连接的开尔文源引脚，在所述开尔文源引脚与所述功率源引脚之间串接有寄生电感，所述短路与过载保护电路至少包括用于检测所述寄生电感上电流变换率的电流采样单元、以及与所述电流采样单元连接的短路检测单元，所述短路检测单元用于根据所述电流采样单元的采样结果，判断所述sic mosfet模块是否存在短路故障。

3、本发明基于上述方案，将开尔文源引脚与功率源引脚之间的寄生电感作为电流检测元件，从而无需设置消隐时间，实现了纳秒级的故障响应。

4、进一步的，本发明中所述短路与过载保护电路还包括用于检测所述sic mosfet模块的漏源电压的电压采样单元、以及与电压采样单元连接的过载检测单元，所述过载检测单元具有储能电容，且所述储能电容仅在所述sic mosfet模块出现过载时充电，所述过载检测单元根据所述储能电容上电压判断是否触发过载保护。

5、本发明基于上述方案，通过采集sic mosfet模块的漏源电压，配合电流采样单元所采集的电流变换率，来对储能电容充电，能够物理模拟能量积累过程，实现了与sicmosfet模块热失效物理本质相契合的过载保护。

6、进一步的，本发明中所述短路与过载保护电路还包括用于执行短路保护和过载保护的故障锁存与软关断电路，所述故障锁存与软关断电路至少包括逻辑电路和栅极放电电路，所述逻辑电路用于避免所述sic mosfet模块在关断过程中触发的保护振荡，所述栅极放电电路用于在所述sic mosfet模块出现短路故障时，减缓所述sic mosfet模块中栅极电容的放电速度。

7、本发明基于上述方案，能够有效抑制关断电压尖峰，避免sic mosfet模块在关断过程中触发的保护振荡，确保了短路故障状态的稳定锁定，避免故障信号因电流下降而消失，导致电路反复动作的问题。

8、进一步的，本发明中所述电流采样单元包括：电容cf、电阻rf；

9、所述电容cf一端连接到所述开尔文源引脚与所述寄生电感的一端之间，所述电容cf的另一端连接到所述电阻rf的一端，所述电阻rf的另一端连接到所述寄生电感的另一端。

10、本发明基于上述方案，能够采集寄生电感上的电流变换率，并通过电容cf将其转换为电压，能够实现对sic mosfet模块上电流状态的准确检测，以用于短路故障的判断，且通过采集寄生电感上的电流变换率，无需设置消隐时间，实现了纳秒级的故障响应。

11、进一步的，本发明中所述短路检测单元包括比较器a2；

12、所述比较器a2的同相输入端连接到所述电容cf与所述电阻rf之间，所述比较器a2的反相输入端接入第一基准电压，所述比较器a2的输出端用于输出短路故障的判断结果；

13、所述第一基准电压被配置为所述sic mosfet模块出现短路故障时对应的电流变换率使所述电容cf在预设时间内上升的电压值。

14、本发明基于上述方案，能够通过将第一基准电压与电容cf上的电压进行比较，来判断sic mosfet模块是否出现短路故障，实现了sic mosfet模块的短路检测。

15、进一步的，本发明中所述电压采样单元包括：电阻r1、电阻r2；

16、所述电阻r1一端连接到所述sic mosfet模块的漏极以获取所述漏源电压，所述电阻r1的另一端连接到所述电阻r2，所述电阻r2的另一端接地。

17、本发明基于上述方案，能够准确采集得到sic mosfet模块的漏源电压，其能够配合电流采样单元所采集的电流变换率，实现对延迟充电控制电路中开关管m1导通状态的控制，进而使储能电容仅在sic mosfet模块过载时充电，从而物理模拟能量积累过程，实现与sic mosfet模块热失效物理本质相契合的过载保护。

18、进一步的，本发明中所述过载检测单元还包括延迟充电控制电路，所述延迟充电控制电路用于控制所述储能电容仅在所述sic mosfet模块出现过载时充电，且所述延迟充电控制电路包括：开关管m1、开关管m2、开关管m3；

19、所述开关管m1的栅极连接到所述电阻r1与所述电阻r2之间，所述开关管m1的源极连接到所述电流采样单元中的电容cf与电阻rf之间，所述开关管m1的漏极连接到所述开关管m2的源极，所述开关管m2的漏极接入电源电压，所述开关管m2的栅极连接到所述开关管m3的栅极，所述开关管m3的漏极接入电源电压，所述开关管m3的源极串接所述储能电容后接地。

20、本发明通过上述方案，能够使储能电容仅在sic mosfet模块出现过载时充电，避免sic mosfet模块在未过载时对储能电容充电，使储能电容电压持续升高而误导通比较器a1，影响过载保护的判断结果的问题。

21、进一步的，本发明中所述过载检测单元还包括用于判断是否触发过载保护的比较器a1；

22、所述比较器a1的同相输入端连接到所述开关管m3的源极与所述储能电容之间，所述比较器a1的反相输入端接入第二基准电压，所述比较器a1的输出端用于输出过载保护的判断结果；

23、所述第二基准电压被配置为所述sic mosfet模块的过载保护电压。

24、本发明通过上述方案，能够将储能电容上电压与第二基准电压进行比较，从而判断出是否要进行过载保护，避免了sic mosfet模块热失效，导致电路异常工作的问题。

25、进一步的，本发明中所述逻辑电路由逻辑或门和施密特触发器组成，所述逻辑或门的两个输入端分别连接到所述短路检测单元和所述过载检测单元的输出端，所述逻辑或门的输出端连接到所述施密特触发器的输入端，所述施密特触发器的输出端连接到所述栅极放电电路。

26、本发明通过上述方案，能够利用施密特触发器的特性，使sic mosfet模块在出现短路故障或过载异常时，将故障状态锁定，避免sic mosfet模块在关断过程中电流下降，导致保护电路反复动作，系统陷入振荡的问题。

27、进一步的，本发明中所述栅极放电电路包括：电阻rg、电阻rg、开关管m5；

28、所述电阻rg一端连接到所述sic mosfet模块的栅极，所述电阻rg的另一端接入用于控制所述sic mosfet模块工作的pwm波；

29、所述电阻rg一端连接到所述电阻rg与所述sic mosfet模块的栅极之间，所述电阻rg的另一端连接到所述开关管m5的漏极，所述开关管m5的源极接地，所述开关管m5的栅极连接到所述逻辑电路的输出端。

30、本发明通过上述方案，能够减缓sic mosfet模块的栅极电容的放电速度，从而降低电流变换率，从而降低由此产生的过冲电压，避免了过冲电压击穿sic mosfet模块的问题。

31、本发明还提出了一种空调，其具有控制器，所述控制器采用上述短路与过载保护电路。

32、本发明涉及金属氧化物半导体场效应管，与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

33、1、本发明通过将开尔文源引脚与功率源引脚之间的寄生电感作为电流检测元件，无需设置消隐时间，实现了纳秒级的故障响应；

34、2、本发明通过采集sic mosfet模块的漏源电压，配合电流采样单元所采集的电流变换率，来对储能电容充电，能够物理模拟能量积累过程，实现了与sic mosfet模块热失效物理本质相契合的过载保护；

35、3、本发明能够通过逻辑电路避免sic mosfet模块在关断过程中电流下降，导致保护电路反复动作，系统陷入振荡的问题，还能通过栅极放电电路降低过冲电压，避免了过冲电压击穿sic mosfet模块的问题。