[发明专利]一种基于栅极电荷的SiC MOSFET栅极故障诊断系统及诊断方法

说明书

本发明提供一种基于栅极电荷的SiC MOSFET栅极故障诊断系统,SiC MOSFET栅极故障诊断系统包括：栅极电荷检测电路、逻辑控制单元、放大器、第一电阻R1、第二电阻R2。该系统在SiC MOSFET运行状态中，对栅极电荷进行在线检测，根据在发生栅极故障时栅极电荷的变化情况进行栅极故障诊断，并对栅极短路故障和栅极开路故障进行识别。当栅极发生短路故障时，检测到的栅极电荷值将迅速增大到检测电路所允许的最大值；而当栅极发生开路故障时，检测到的栅极电荷在开关瞬态始终保持为零。本发明能够快速检测到栅极故障，以便SiC MOSFET应用系统及时停机，从而保护SiC MOSFET驱动板并防止SiC MOSFET发生二次故障。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及SiC MOSFET栅极故障诊断。

背景技术

SiC MOSFET驱动通常选取较高的驱动电压，以降低导通压降，然而受SiC材料及工艺的限制，栅氧化层耐压能力较弱，因而较Si基IGBT，SiC MOSFET的栅极更易发生故障。栅极故障使驱动无法对功率模块进行正常调控，致使功率模块无法正常开通或关断，若不及时检测并采取保护措施，会造成系统的二次故障，产生更严重的事故。根据栅极故障现象可将其分为栅极短路故障和栅极开路故障。

栅极短路故障表现为栅氧化层被击穿，栅源极间呈低阻抗特性。由于SiC MOSFET栅极的耐压等级较低，加上不当的驱动电路设计，在开关瞬态，过高的dv/dt造成的RLC高频振荡，使得栅极通过米勒电容产生相应的振荡，对栅氧化层造成冲击。此外SiC MOSFET短路导致的退饱和效应会通过米勒平台向栅极充电，若没有保护措施，将产生高于V_CC的栅极电压，也会对芯片栅氧化层造成不同程度的冲击。这些影响随着SiC MOSFET长时间运行加速了栅氧化层的老化，最终导致栅氧化层的击穿。

SiC MOSFET栅极开路是指驱动板与栅极之间出现了断路导致驱动板无法改变功率芯片栅极电压来控制SiC MOSFET的开通或关断。主要包括两个方面：一方面受系统长时间的震动致使驱动与模块的连接点发生了松动，驱动无法向IGBT提供正负电压。另一方面，辅助源极内部的键合线受老化等原因发生脱落，驱动无法通过模块形成供电回路。当发生栅极开路故障时，栅极将处于悬浮状态，栅极电容存储的电荷因放电速度较慢，将会在开关周期内保持原有的状态缓慢放电且不受驱动控制。当SiC MOSFET在关断状态发生栅极开路时，驱动无法让其开通，致使系统输出电压/电流失真，容易引发二次故障；系统中其他SiCMOSFET的开关过程可能会瞬间提高该模块的漏极电压，并通过米勒电容向栅极充电，不仅会发生SiC MOSFET的误导通，还有可能因栅极电压的不稳定状态长时间处于饱和区，增大了导通损耗。而当SiC MOSFET模块在导通状态发生栅极开路故障时，驱动无法将其迅速关断，不仅使输出状态异常，更容易因其他IGBT的开通产生桥臂直通，引起短路故障，此时即使短路保护电路检测到短路故障也无法关断SiC MOSFET，最终造成热击穿，初步检索后，现有技术中也有相关的诊断、保护系统，但是这些装置结构复杂，成本较高，并且损耗较高，因此，需要一种检测系统能够及时检测到SiC MOSFET栅极故障，有助于功率变换系统在检测到栅极故障后及时可靠的停机，避免造成更严重的事故。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于栅极电荷的SiCMOSFET栅极故障诊断系统，本发明既能够快速检测SiC MOSFET栅极故障，又能够将栅极短路故障和栅极开路故障区分开来，整个方案结构简单，成本较低，损耗少。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于栅极电荷的SiC MOSFET栅极故障诊断系统，所述诊断系统包括：栅极电荷检测电路，逻辑控制单元，放大器，第一电阻R1、第二电阻R2；