基于罗氏线圈的SiC-MOSFET高频开关电流检测电路

基于罗氏线圈的sic-mosfet高频开关电流检测电路
技术领域
1.本发明涉及电力电子器件开关电流检测技术，特别是一种基于罗氏线圈的sic-mosfet高频开关电流检测电路。


背景技术：

2.第三代半导体电力电子器件sic-mosfet凭借其开关频率高，通态电阻低等优势，在高效率与高功率密度应用领域得到日益得到人们的青睐。与传统si igbt器件相比，sic mosfet芯片面积更小、电流密度更高，当发生短路或过流故障时，功率器件温度骤升，导致器件发生严重损害。为保护功率器件不受破坏，驱动系统必须对短路或过流故障拥有较快的响应速度，且响应时间一般要求在10us内。因此，如何快速检测sic-mosfet开关电流状态信息，对于响应sic mosfet短路与过流故障至关重要。
3.传统的退饱和检测法在si-mosfet的过流保护中取得了良好的效果，在驱动模块中得到了广泛集成。但由于sic-mosfet的退饱和效应不明显、饱和电压随温度影响大，退饱和检测法在sic-mosfet的应用效果欠佳。针对sic-mosfet工作频率高，短路电流上升快等特点，对快速变化的电流敏感的罗氏线圈成为了sic-mosfet保护的新选择。但其存在着罗氏线圈微分器低频增益过低而产生直流偏置的固有缺陷，而简单地增大积分电路的低频增益又会导致稳定性的下降，尽管可以采取改进措施(例如cn108414812a)，但无法从根本上弥补这一缺陷，其原因在于sic-mosfet开关电流电测的pcb嵌入式罗氏线圈的互感一般都在nh级别(传感器体积受限)，无论如何改进电路，若需要消除直流偏置，积分电路在低频段仍需要很大的放大倍数，这将导致由运放非理想因素导致的误差电压被严重放大，因此很难找到一个折中的方案，有文献在比较了数种积分电路后得出了设计积分电路时应在抑制低频增益和抑制直流偏置中进行取舍的结论，因此仅靠改进积分电路难以原理上解决直流偏置的问题。有学者提出了开关复位的方法，但当开关电流频率较低时应用受限。针对sic-mosfet的罗氏线圈测量模块的参数优化设计，目前还没有一套较为通用的设计方案。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于罗氏线圈的sic-mosfet高频开关电流检测电路，解决现有罗氏线圈电流传感器的下垂失真的问题，实现sic mosfet开关电流的高精度、低延时检测。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于罗氏线圈的sic-mosfet高频开关电流检测电路，包括罗氏线圈微分器等效电路，所述罗氏线圈微分器等效电路与同相积分电路连接；其特征在于，所述同相积分电路的输出端接滤波保持电路；所述滤波保持电路包括第一模拟开关，所述第一模拟开关通过第一低通滤波电路接第二模拟开关，所述第二模拟开关通过跟随器接减法电路；所述减法电路与双路比较器连接；其中，所述第一模拟开关的输入端、所述减法电路负输入端、跟随器正输入端输入所述同相积分电路输出的原始积分信号；所述跟随器正输入端采样信号；所述双路比较器正输入端输入对
所述原始积分信号消除直流偏置后得到的信号；所述跟随器正输入端与保持电容正端连接；所述保持电容负端接地。
6.本发明首先通过同相积分电路对罗氏线圈微分器输出的信号进行积分，为解决直流偏置的问题，本发明通过滤波保持电路对输出信号偏置量进行抵消，实现直流增益补偿，同时也具有较强稳定性，最终实现对电流波形低失真、低延迟的还原，并通过比较器及时输出过流保护信号。本发明较好地解决了现有罗氏线圈电流传感器的下垂失真的问题，可以sic-mosfet开关电流进行准确、低延迟地测量，并及时输出过流信号，保证sic-mosfet过流时保护迅速动作。
7.当u
pwm
＝0且u
last
＝1且时，使能所述采样信号；其中，u
pwm
是sic-mosfet的pwm驱动信号，当检测到u
pwm
的下降沿时，触发第一单稳态电路，延时δt1后触发第二单稳态电路，此时延时信号u
last
＝1，延时δt2后u
last
＝0，保证了直流分量采样时间的准确性。
8.比较器输出端与mosfet m1的门极连接；所述比较器正输入端输入为(1/2)u
pwm_h
，u
pwm_h
为sic-mosfet的pwm驱动信号为高电平时的电压；所述比较器负输入端接第二低通滤波器输出端；所述第二低通滤波器的输入为u
pwm
。
9.所述延时电容一端与m1漏极串联，m1源极再与所述第二单稳态电路的电容负端连接；当时，mosfet开关导通，延长时间δt2；否则，mosfet开关关断，从而使得在sic-mosfet关断时间较长时适当延长采样时间，提高采样精度。
10.所述双路比较器的负输入端输入阈值u
thr
；其中，i
thr
为被测电流的保护阈值；m为罗氏线圈互感；r1、c1分别为同相积分电路输入端电阻和电容，使得在被测电流超过保护阈值时发出过流信号。
11.其中，l1为罗氏线圈内径，c为线匝间距，l2为罗氏线圈外径。此公式描述了互感与内径的函数关系，可方便地采用matlab等软件求得一定限制条件下互感m的最大值，从而增加传感器的灵敏度。
12.所述同相积分电路输出的原始积分信号的计算公式为：
[0013][0014]
其中u
out_org
为同相积分电路输出的原始积分信号，u
in
为罗氏线圈输出电压，i为被测电流，r1、c1分别为同相积分电路同相输入端电阻和电容，r2为同相输入端到地的电阻，r3、c2分别为同相积分电路反相输入端到输出的反馈电阻和电容。反馈的引入可降低低频增益，提高稳定性。
[0015]
其中，f
osc
为mosfet的开关震荡频率，f
sw
为开关频率。r3、rd的取值可改善同相积分电路的频率响应，提高稳定性。
[0016]
所述同相积分电路输出的原始积分信号的计算公式为：其中，i为被测电流；m为罗氏线圈互感；r1、c1分别为同相积分电路输入端电阻和电容。
[0017]
罗氏线圈微分器包括四层pcb板；最上层的pcb板上表面和最下层的pcb板下表面均覆盖有与所述pcb板尺寸一致的外屏蔽层；四层pcb板上均开设有通孔；最上层的pcb板和最下层的pcb板通过多个串联的绕线线匝连接，且所述多个串联的绕线线匝穿过对应层pcb板的通孔；中间两层pcb板上的返回线匝并联，且两个返回线匝通过所述中间两层pcb板上的通孔对应绕制于中间两层pcb板上；所述绕线线匝的首端与两个返回线匝的末端连接，所述绕线线匝的末端与两个返回线匝的首端连接。采用外屏蔽层可在pcb设计时避免6层板和埋孔的使用，降低成本。
[0018]
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
[0019]
1、本发明利用电磁感应定律，建立罗氏线圈微分器互感的数学模型，以相同尺寸下互感最大为优化目标，计算出罗氏线圈的最优匝数和内径，并设计4层pcb屏蔽结构，提高了微分器抗干扰性能然后根据线圈杂散参数。
[0020]
2、本发明以高带宽、输出增益平坦为优化目标，设计调理电路，通过采样、滤波与保持电路，在器件关断时间内计算出稳态偏置，并最终利用减法电路来消除偏置，实现sic mosfet开关电流的高精度、低延时检测。本发明对sic-mosfet高频开关电流的准确检测和快速过流保护具有重要意义。
附图说明
[0021]
图1是本发明实施例罗氏线圈微分器的结构示意图。
[0022]
图2是本发明实施例罗氏线圈微分器与同向积分电路的级联电路图。
[0023]
图3是本发明实施例偏置采样信号时序图和偏置采样信号发生电路图。
[0024]
图4是本发明实施例采样
‑‑
滤波
‑‑
保持电路的电路图。
[0025]
图5是本发明实施例罗氏线圈电流传感器与商用罗氏线圈电流传感器trcp0300所测得buck变换器中下桥臂sic-mosfet漏极电流波形的对比图。
具体实施方式
[0026]
本发明实施例建立了罗氏线圈微分器互感的数学模型，根据约束条件确定罗氏线圈的最优匝数和内径，设计低成本4层pcb罗氏线圈，采用同相积分电路对微分器输出的信号进行积分，通过偏置采样电路和减法电路对输出信号偏置量进行抵消，实现对电流波形低失真、低延迟的还原与过流保护信号的及时输出。
[0027]
基于罗氏线圈微分器的基本结构，依据电磁感应定律，建立在线圈任意位置的矩形线匝的磁通与被测通流导体距离及线圈高度的函数，如下所示：
[0028][0029]
其中φ1为线匝磁通，i为被测电流，l1为线圈内径，l2为线圈外径，取最大值，l3为线匝到被测通流导体轴线的水平距离，h为线圈高度，取pcb厚度常规值，μ0为真空磁导率。为得到线圈的互感，先对所有线匝的磁通进行累加得到线圈磁链，再除以导体电流，如下所
示：
[0030][0031]
其中ψ为线圈总磁链，n为线圈匝数，c为线匝间距，取最小值，而匝数与内径之间存在以下约束关系：
[0032][0033]
由此获得线圈互感m关于线圈内径l1单变量函数：
[0034][0035]
出于安全性及防止电磁干扰方面的考虑，要求l1》r d，其中r为通流导体最大半径，d为不同电压等下线圈内侧与导体之间的安全距离。在l1》r d约束条件下求函数m＝f(l1)的最大值m
max
作为最优互感，此时的l1、n作为最优匝数和最优内径。其中r为被测导体最大半径，d为不同电压等级下导体到线圈内侧的安全距离，从而获得最优内径和匝数，并按此参数设计4层pcb罗氏线圈。在4层pcb罗氏线圈的上下两层各覆盖一个与该pcb相同大小的单面覆铜板作为外屏蔽层，并用尼龙螺丝固定。
[0036]
确定线圈内径、外径、高度、匝数，设计4层pcb罗氏线圈，线圈包括绕线和返回线两个部分，绕线为串联的多个线匝(多个线匝绕制方向相同)，返回线为两个并联的完全相同的正方形线匝，绕线和返回线采用串联方式连接。当线圈内导体(即被测通流导体11)通入电流时，绕线可产生与其电流的微分成正比的电压，实现微分器的功能；而当线圈外导体通入电流时，返回线将感应出与绕线方向相反的电压，从而减小外界干扰。绕线布置在一、四层pcb板上(即最上层的pcb板1和最下层pcb板2上)，一、四层的绕线采用通孔连接，而不用现有技术较多采用的埋孔连接，从而降低成本。一、四层上开设多个通孔5，绕线6由第一层的某一通孔开始绕制，穿过第四层对应位置的通孔，再绕制到第一层对应位置的其余通孔上，依此类推，绕线有一首端和一末端；返回线的两个并联线匝7分别布置在为中间两层上(即第二层pcb板3和第三层pcb板4上)，并联线匝边长为(l1 l2)/2，并联线匝始端与绕线的末端相接。绕线的首端与返回线的末端构成罗氏线圈的两个输出端。
[0037]
为削弱高频开关瞬间被测导体电位跳变而产生的电磁干扰，对外屏蔽层采用如下设计。外屏蔽层8为两个单面铺铜的pcb板，用尼龙螺丝固定在第一层pcb板的上表面和第二层pcb板的下表面(外屏蔽层上开设固定孔9，对应位置的pcb板上开设固定孔10，便于固定尼龙螺丝)，并引出导线与sic-mosfet的源极相连。实际应用中可调节外屏蔽层与线圈之间的距离来实现屏蔽强度与线圈带宽之间的平衡。
[0038]
为还原被测电流，将罗氏线圈微分器的输出信号连接到同相积分电路的输入，积分电路的传递函数如下：
[0039][0040]
[0041]
其中u
out_org
为同相积分电路输出的原始积分信号，u
in
为罗氏线圈输出电压，i为被测电流，r1,c1分别为积分电路同相输入端电阻和电容，r2为同相输入端到地的电阻，r3,c2分别为反相输入端到输出的反馈电阻和电容。rs,cs,ls分别为罗氏线圈的电阻、自感和杂散电容，实际应用中可用阻抗分析仪测得这三个参数。利用步骤1所述罗氏线圈微分器测量mosfet的开关震荡频率f
osc
，设开关频率设为f
sw
，假定存在：
[0042]
r1c1＝r2c2[0043][0044][0045]
rd//r1＞＞|rs jω
osc
ls|
[0046]
则在理想条件下，u
out_org
与被测电流的关系可被简化如下：
[0047][0048]
为满足上述条件，首先根据灵敏度和量程的要求，确定积分电路的增益为不改变增益的条件下增加积分电路的输入阻抗以满足rd//r1＞＞|rs jω
osc
ls|，c1＝c2，再根据确定r1c1，一般取c1为较小值，r1取较大值，再取c1＝c2r1＝r2，为留有一定裕量，取
[0049]
在实际应用中，由于电容漏电流、运放失调电压等因素，sic-mosfet关断时u
out_org
的直流分量往往不为零，此直流分量的偏差值称为积分电路的直流偏置。因此，需在sic-mosfet关断时使能偏置计算电路，对u
out_org
采样并计算偏置。采用单稳态延时电路实现这一功能，具体如下：用1表示高电平，0表示低电平。设信号为设每个开关周期内，sic-mosfet的驱动信号u
pwm
＝1的起始时刻为t0，测量t0到sic-mosfet稳态关断的延时，设为δt1,取sic-mosfet关断时数个电流震荡周期的时间，设为δt2，δt2即为每次偏置计算的采样时间，此延时由偏置计算电路中滤波器的延迟决定。
[0050]
当检测到u
pwm
的下降沿时触发单稳态电路1，延时时间为δt1，δt1后触发单稳态电路2，令延时信号u
last
＝1，延时时间δt2后令u
last
＝0。当u
pwm
＝0且u
last
＝1且时才使能偏置计算电路，从而保证在sic-mosfet开通前停止偏置计算并将本次计算结果保持至下一次计算。
[0051]
为提高采样精度，在sic-mosfet的关断时间较长时相应地延长采样时间。采用一个高速、小功率的mosfet m1串联一个电容后与单稳态电路2中的电容并联，使得当m1开通时δt2适当增加。然后对u
pwm
进行低通滤波得到基波分量u
pwm_lpf
，利用比较器检测是否满足以下条件：
[0052]
[0053]
其中u
pwm_h
为pwm高电平的电压。若满足条件则导通m1，增大延时采样时间δt2，否则关断m1。
[0054]
为计算并保持每个开关周期内的直流偏置，设计以下采样—滤波—保持电路。首先将u
out_org
通过高速模拟开关s1与三阶sallen&key型有源低通滤波电路相连，滤波器的截止频率的选取应权衡对高频开关电流震荡的衰减倍数与滤波器的延迟，滤波电路的输出通过高速模拟开关s2与一个漏电流小的陶瓷电容相连，再由一个高输入阻抗的跟随器将此电容电压u
dc
输出，其工作流程如下：
[0055]
当偏置计算电路使能时，打开模拟开关s1、s2，对u
out_org
进行滤波得到直流偏置。当采样信号闭锁时，将s1、s2关闭，由于模拟开关和跟随器都呈高阻态，故u
dc
保持。再通过减法电路将u
out_org
与u
dc
相减，最终达到消除偏置的目的。采用两路比较器输出过流信号，设：
[0056][0057]
其中u
thr
为比较器的阈值，i
thr
为被测电流的保护阈值，当u
out
》u
thr
或u
out
《-u
thr
时将过流信号u
oc
置为高，否则置为低。
[0058]
图2是本发明一实施例罗氏线圈微分器与同向积分电路的级联电路图。参数设计具体实施步骤如下：
[0059]
步骤一：用阻抗分析仪测量线圈的参数r
s,cs,
ls[0060]
步骤二：用罗氏线圈微分器测量mosfet的开关震荡频率f
osc
[0061]
步骤三：根据所需灵敏度、量程确定积分电路增益
[0062]
步骤四：根据确定r1c1的大小，一般取c1为较小值，r1取较大值，然后取r2＝r1,c2＝c1r
[0063]
步骤五：完成积分电路的参数设计。
[0064]
图3是本发明实施例采样信号时序图和采样信号发生电路图。用单稳态芯片搭建分别两个单稳态电路1(第一单稳态电路)和单稳态电路2(第二单稳态电路)，其输出分别为u
delay
和u
last
，配置rc参数使它们的延时分别为δt1和δt2，其中δt1为pwm信号下降沿开始到sic-mosfet稳态关断的时间，δt2为采样时间。当pwm信号的下降沿到来时，触发单稳态电路1，当单稳态电路1计时结束后触发单稳态电路2。采用逻辑门电路，使得u
pwm
和u
last
时使能采样信号u
sample
，对u
out_org
采样并计算偏置。对u
pwm
滤除开关次及以上谐波得到u
pwm_lpf
，判断当前是否处于被测电流基波分量的下半周期，若是，则增大单稳态电路2的rc常数，从而增大δt2。
[0065]
图4是本发明实施例采样
‑‑
滤波
‑‑
保持电路的电路图，当采样信号使能时，打开模拟开关1、2将对原始积分信号u
out_org
进行滤波，得到直流分量u
dc
，最后利用减法电路抵消偏置。当采样信号闭锁时关闭模拟开关1、2，直流分量u
dc
保持在电容c
keep
上。
[0066]
图5是本发明实施例罗氏线圈电流传感器与商用罗氏线圈电流传感器trcp0300所测得buck变换器中下桥臂sic-mosfet漏极电流波形的对比图，可以看出被测电流的峰值约
为20a，商用罗氏线圈电流传感器出现了明显的下垂失真导致直流分量测量不准确，从而产生了约4.5a的直流偏置，而本发明实施例罗氏线圈电流传感器几乎没有出现下垂失真，具有较好的低频特性。