[发明专利]一种GaN功率开关器件的短路保护装置

说明书

本发明公开了一种GaN功率开关器件的短路保护装置，属于电力电子领域。该装置包括短路状态检测模块、信号处理模块和驱动模块；所述短路状态检测模块包括耦合电感采样电路和比较电路；所述GaN功率开关器件位于PCB板上，利用PCB走线或外置铜箔构成耦合电感，用于感应所述GaN功率开关器件上通过的电流；所述耦合电感采样电路包括原边电路和副边电路，原边电路包括被测器件和原边电感，其中原边电感由所述PCB走线或外置铜箔的寄生杂散电感产生，副边电感由耦合线圈的电感产生。本发明采用电感耦合的方式实现短路电流的采样，损耗更低且集成度更高，并且在尽可能减少电路拓扑复杂度的情况下实现了对功率开关器件的快速短路保护。

技术领域

本发明属于电力电子领域，更具体地，涉及一种GaN功率开关器件的短路保护装置。

背景技术

面对更高的额定功率和更广泛的应用需求，氮化镓(GaN)成为极具前景的下一代功率开关。氮化镓高电子迁移率晶体管(Gallium Nitride High Electron MobilityTransistor，GaN HEMT)是基于GaN材料的半导体功率器件。在同样的耐压条件下，其与硅基MOSFET相比主要有低导电电阻、高电流密度、快速开关速度和高功率密度等优点。GaN HEMT的这些特点使其更加符合未来的发展要求，因此具有非常广阔的前景与市场。随着该类产品市场需求的不断增加，GaN功率开关器件的相关问题正得到广泛研究。为了提高电力电子开关器件在应用中的可靠性，防止其在工作过程中的损害，需要对电力电子开关器件进行相关保护电路的设计。其中，短路(过流)保护电路的设计十分重要，且由于GaN HEMT的高频特性，相比其他元件该器件的短路电流保护(SCP)电路面临更大的挑战。部分GaN功率器件短路耐受时间为ns级别。

现有的短路检测技术总体分为以下几种：

①门极驱动的退饱和检测；

②使用电流检测电阻；

③通过检测共源电感的电压进行di/dt检测；

④通过电流互感器实现过流短路检测。

然而这些传统的检测方法并不适用于GaN功率开关器件。其中，退饱和检测需要消隐时间，在一些故障情况下退饱和时间较长，一般检测时间为us级别；使用电流检测电阻为电路增加了额外的损耗；利用共源电感则使电路增加了额外的寄生电感影响器件的性能；而电流互感器的使用属于插入式耦合方式，电路的耦合系数较低，使得检测精度不高。因此，针对高频电力电子开关器件的应用场合，尤其是高频高性能的GaN功率开关器件，亟需一种损耗低、反应速度快且检测精度较高的功率开关器件短路保护装置。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种GaN功率开关器件的短路保护装置，旨在解决现有高频电力电子开关器件的短路保护损耗高、保护反应速度较慢的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种GaN功率开关器件的短路保护装置，包括短路状态检测模块、信号处理模块和驱动模块；所述短路状态检测模块包括耦合电感采样电路和比较电路；

所述GaN功率开关器件位于PCB板上，利用PCB走线或外置铜箔构成耦合电感，用于感应所述GaN功率开关器件上通过的电流；所述耦合电感采样电路包括原边电路和副边电路，原边电路包括被测器件和原边电感，其中原边电感由所述PCB走线或外置铜箔的寄生杂散电感产生，副边电感由耦合线圈的电感产生。

进一步地，所述耦合线圈通过在所述PCB板上绕线而成。

进一步地，所述副边电路包括副边电感、二极管、电阻和电容，所述副边电感与二极管串联得到的支路分别与电阻和电容并联，采集电容两端的电压作为采样电压输出。