用于SiC或GaNMOSFET晶体管的开关装置的短路保护电路及相关方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种功率开关装置(10)，其包括至少一个能够由主电流(I；Ia，Ib，Ic)能够行进通过的SiC或GaN MOSFET型晶体管(12；12a，12b，12c)；所述开关装置(10)包括至少一个测量模块(14；14a，14b，14c)，所述至少一个测量模块被配置为从由所述晶体管(12；12a，12b，12c)和至少一个保护电路(16；16a，16b，16c)产生的电磁场间接测量所述晶体管(12；12a，12b，12c)的主电流，所述至少一个保护电路基于所述主电流(I；Ia，Ib，Ic)的时间漂移的符号来检测短路。

Short Circuit Protection Circuits and Related Methods for Switching Devices Used in SiC or GaNMOSFET Transistors

The invention relates to a power switching device (10), which comprises at least one SiC or GaN MOSFET transistor (12; 12a, 12b, 12c) capable of travelling through the main current (I; Ia, Ib, Ic); the switching device (10) comprises at least one measurement module (14; 14a, 14b, 14c), and the at least one measurement module is configured from the transistor (12; 12a, 12b, 12c) and at least one measurement module. The main current of the transistor (12; 12a, 12b, 12c) is indirectly measured by an electromagnetic field generated by a protection circuit (16; 16a, 16b, 16c). The at least one protection circuit detects a short circuit based on the symbol of time drift of the main current (I; Ia, Ib, Ic).

【技术实现步骤摘要】
用于SiC或GaNMOSFET晶体管的开关装置的短路保护电路及相关方法
本专利技术涉及一种功率开关装置，其包括至少一个能够由主电流能够行进通过的SiC或GaNMOSFET型晶体管。
技术介绍
以本身已知的方式，SiC或GaNMOSFET型晶体管(分别为“碳化硅”、“氮化镓”和“金属氧化物半导体场效应晶体管”)(也称为绝缘栅双极晶体管)包括三个电端子或触点，即栅极、漏极和源极。特别地，SiC或GaNMOSFET型晶体管可以用作电开关。实际上，这样的晶体管限定其中漏极电连接到源极的导通状态和其中漏极和源极彼此电隔离的截止状态。两个状态之间的切换由适当的控制装置施加在栅极上的设定点电压控制。特别地，截止状态和导通状态之间的切换包括切换到触发的阶段，包括将晶体管从截止状态切换到导通状态，以及切断的阶段，包括将晶体管从导通状态切换到截止状态。通常，SiC或GaNMOSFET晶体管的操作由合适的开关装置控制，特别是使得可以检测使用晶体管的电网内的短路。这种短路可能例如出现在SiC或GaNMOSFET晶体管的漏极和源极之间。为了检测短路，现有的开关装置使用保护电路，该保护电路直接测量漏极和源极之间的电压并基于这些测量检测短路。换句话说，在现有装置中，保护电路一方面连接到漏极，另一方面连接到源极，以直接测量电压。然而，现有开关装置和由这些装置实现的用于短路检测的方法并不完全令人满意。实际上，现有装置继承自IGBT(绝缘栅双极晶体管)晶体管。这种装置不适用于SiC或GaNMOSFET型晶体管。SiC或GaNMOSFET型晶体管能够达到比IGBT型晶体管更高的开关速度以及因此更高的开关频率。这使得可以减少开关装置中使用的部件的体积、重量和成本。然而，在SiC或GaNMOSFET型晶体管的高频操作期间产生的电磁干扰是不可忽略的。特别是，它们产生共模电流，该共模电流破坏晶体管附近的电子元件，包括连接到漏极和源极的保护电路。在SiC或GaNMOSFET型晶体管以高频率切换的情况下，共模电流足够大以引发错误警报，这将导致开关装置停止。然后需要插入增强型滤波器来过滤源极和保护电流之间的共模电流。此外，与IGBT型晶体管不同，SiC或GaNMOSFET型晶体管不会短路卸载。因此短路电流不受SiC或GaNMOSFET型晶体管的卸载限制，但是，这仅仅是对于IGBT晶体管而言。此外，对于SiC或GaNMOSFET型晶体管的导通状态的阻抗远低于对于IGBT型晶体管的导通状态的阻抗，短路电流在SiC或GaNMOSFET型晶体管的情况下比在IGBT型晶体管的情况下大得多。为了避免SiC或GaNMOSFET型晶体管的损坏，因此保护电路的反应时间必须非常短，大约为1或2微秒。这种反应性约束要求减轻保护电路输入端的滤波。同时，如前所述，必须加强保护电路输入端的滤波，以过滤共模电流。因此，现有装置不能在保护电路的反应性和对晶体管在高频率下工作时产生的电磁干扰的抗扰性之间取得令人满意的折衷。这个问题在铁路领域特别相关，其中SiC或GaNMOSFET型晶体管以高频工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种SiC或GaNMOSFET晶体管开关装置，其表现良好并且对于高开关速度而言是稳健的。为此，本专利技术涉及一种功率开关装置，其包括至少一个能够由主电流行进通过的SiC或GaNMOSFET晶体管；该开关装置包括至少一个测量模块，该至少一个测量模块被配置为从由晶体管以及至少一个保护电路产生的电磁场间接测量晶体管的主电流，该至少一个保护电路被配置为基于主电流的时间漂移的符号来检测短路。因此，相对于现有的保护电路，本专利技术基于电流(而非电压)测量，该测量此外还是来自由晶体管辐射的电磁场的电流的间接测量，其允许在破坏源(即晶体管)和保护电路之间的解耦。实际上，根据本专利技术，“间接”意味着保护电路不连接到晶体管的源极，这使得可以在短路的情况下保护它免受由晶体管产生的共模电流的影响。根据本专利技术的其它有利方面，该方法包括单独或根据所有技术上可能的组合考虑的一个或多个以下特征：测量模块包括与晶体管电流隔离的天线；天线位于圆圈中，该圆圈的中心是晶体管，半径在1毫米至10厘米之间；开关装置包括多个晶体管；开关装置包括与晶体管一样多的测量模块，每个晶体管与单独的测量模块相关联，每个测量模块被配置为测量行进通过相关联的晶体管的主电流；每个测量模块与至少一个不同于相关联的晶体管产生的电磁场的电磁场电磁隔离；每个测量模块及相关联的晶体管布置在法拉第笼中；针对行进通过每个晶体管的主电流的时间漂移的符号，每个晶体管与观测窗相关联，观测窗能够在晶体管从截止状态切换到导通状态的同时被触发，观测窗彼此分开；开关装置包括单个测量模块，该单个测量模块被配置为测量行进通过每个晶体管的主电流；针对行进通过每个晶体管的主电流的时间漂移的符号，每个晶体管与观测窗相关联，观测窗能够在晶体管从截止状态切换到导通状态的同时被触发，观测窗彼此分开。附图说明本专利技术的这些特征和优点将通过阅读仅作为非限制性示例提供并且参考附图进行的以下描述而出现，在附图中：图1是根据本专利技术第一实施例的功率开关装置的示意图；图2是根据本专利技术第二实施例的功率开关装置的示意图；图3是根据本专利技术第三实施例的功率开关装置的示意图；以及图4是由图1的开关装置实现的短路检测方法的流程图。具体实施方式图1至3示出了用于转换电能的功率开关装置10。功率开关装置10尤其能够用于铁路领域，并且例如在铁路车辆上。参照图1，开关装置10包括至少一个晶体管12、至少一个测量模块14和至少一个保护电路16。晶体管12是SiC或GaNMOSFET(分别为“碳化硅”、“氮化镓”和“金属氧化物半导体场效应晶体管”)的晶体管，也称为绝缘栅双极型晶体管。晶体管12本身是已知的，并且特别地包括三个电端子或触点，即，栅极G、漏极D和源极S。晶体管12定义其中电流I(以下称为主电流)在漏极D和源极S之间流动的导通状态和其中漏极D与源极S电隔离的截止状态。测量模块14被配置为从由晶体管12产生的电磁场间接测量通过晶体管12的主电流I的强度。实际上，由晶体管12辐射的电磁场根据定义是根据双射关系的主电流I的图像，由晶体管辐射的电磁场通过定义引起共模电流。因此，与晶体管12内不存在短路相比，所测量的电磁场在存在短路的情况更强大。因此，通过间接地使用由晶体管12辐射的电磁场，测量模块14能够检测行进通过晶体管12的主电流I的强度的任何变化。换句话说，测量模块14使得能够检测主电流I的强度值随时间的任何增加或减少。换言之，测量模块14使得可以检测主电流I的时间导数dI/dt的符号。优选地，测量模块14包括天线18，该天线18与晶体管12电隔离并且能够测量由晶体管12辐射的电磁场。由晶体管12产生的电磁场经由天线18接收，诱发共模电流，该共模电流在测量模块14内确定的强度与行进通过晶体管12的主电流I的强度相关。有利的是，天线18位于圆圈中，该圆圈的中心是晶体管12，半径为1mm至10cm，以便获得晶体管12辐射的电磁场的足够精确的测量。传统上，保护电路16能够一方面连接到滤波电路F，滤波电路F被配置为过滤由晶体管辐射并且在测量模块14内接收的电磁信号的电磁干扰(IEM)，另一方面连接到脉冲发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功率开关装置(10)，包括至少一个能够由主电流(I；Ia，Ib，Ic)行进通过的SiC或GaN MOSFET型晶体管(12；12a，12b，12c)，其特征在于，所述开关装置(10)包括至少一个测量模块(14；14a，14b，14c)，所述至少一个测量模块被配置为从所述晶体管(12；12a，12b，12c)和至少一个保护电路(16；16a，16b，16c)产生的电磁场间接测量所述晶体管(12；12a，12b，12c)的主电流(I)，所述至少一个保护电路被配置为基于所述主电流(I；Ia，Ib，Ic)的时间漂移的符号来检测短路。

【技术特征摘要】
2017.07.06 FR 17563821.一种功率开关装置(10)，包括至少一个能够由主电流(I；Ia，Ib，Ic)行进通过的SiC或GaNMOSFET型晶体管(12；12a，12b，12c)，其特征在于，所述开关装置(10)包括至少一个测量模块(14；14a，14b，14c)，所述至少一个测量模块被配置为从所述晶体管(12；12a，12b，12c)和至少一个保护电路(16；16a，16b，16c)产生的电磁场间接测量所述晶体管(12；12a，12b，12c)的主电流(I)，所述至少一个保护电路被配置为基于所述主电流(I；Ia，Ib，Ic)的时间漂移的符号来检测短路。2.根据权利要求1所述的开关装置(10)，其特征在于，所述测量模块(14；14a，14b，14c)包括与所述晶体管(12；12a，12b，12c)电流隔离的天线(18)。3.根据权利要求2所述的开关装置(10)，其特征在于，所述天线(18)位于圆圈中，所述圆圈的中心是所述晶体管(12；12a，12b，12c)并且所述圆圈的半径包括在1毫米和10厘米之间。4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的开关装置(10)，其特征在于，所述开关装置(10)包括多个晶体管(12a，12b，12c)。5.根据权利要求4所述的开关装置(10)，其特征在于，所述开关装置(10)包括与晶体管(12a，12b，12c)一样多的测量模块(14a，14b，14c)，每个晶体管(12a，12b，12c)与单独的测量模块(14a，14b，14c)相关联，每个测量模块(14a，14b，14c)被配置为测量行进通过相关联的晶体管(12a，12b，12c)的主电...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲萨·奥卡亚勒，
申请(专利权)人：阿尔斯通运输科技公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR