摘要：SiC功率MOSFET由于其出色的物理特性，在充電樁及太陽(yáng)能逆變器等高頻應(yīng)用中日益得到重視。因?yàn)镾iC MOSFET開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)幾百K赫茲，門(mén)極驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)在應(yīng)用中就變得格外關(guān)鍵。因?yàn)樵诙搪愤^(guò)程中SiC MOSFET的高短路電流會(huì)產(chǎn)生極高的熱量，因此SiC MOSFET需要快速的短路檢測(cè)與保護(hù)。同時(shí)，電流關(guān)斷速率也需要控制在一定范圍內(nèi)，防止關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生過(guò)高的電壓尖峰。這篇文章探討了幾種能夠?qū)崿F(xiàn)快速短路保護(hù)的方法，并且通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了可行性。

SiC MOSFET短路特性

功率器件有多種不同的短路模式，其中最嚴(yán)重的一種是橋臂短路，在這種短路模式下，電流迅速上升，同時(shí)器件承受母線(xiàn)電壓。我們需要首先對(duì)這種短路模式下的MOSFET的行為進(jìn)行研究。

短路測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。測(cè)試驅(qū)動(dòng)板由英飛凌專(zhuān)為單管SiC MOSFET研發(fā)。待測(cè)器件為T(mén)O-247 4pin封裝的IMZ120R045M1。測(cè)試在室溫下進(jìn)行。

圖1 SiC功率MOSFET短路特性測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試線(xiàn)路

圖2 為400V和800V兩種母線(xiàn)電壓下，且門(mén)極電壓在12V,15V,18V情況下的短路電流波形。短路起始階段，漏極電流快速上升并且到達(dá)最高值，在門(mén)極電壓分別為12V和15V情況下，電流峰值分別為170A和270A。電流峰值過(guò)后，漏極電流開(kāi)始顯著下降，門(mén)極電壓為12V和15V的情況下分別為130A和180A。這是因?yàn)檩d流子遷移率隨溫度的上升而下降，從而短路電流下降。測(cè)試波形證實(shí)了TO-247封裝的4pin CoolSiC? MOSFET 在15V門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓條件下，擁有至少3us的短路能力。短路脈沖結(jié)束后，可能發(fā)生兩種情況：1）被測(cè)器件安全關(guān)斷，漏極電流降至0A。2）短路期間積累的能量超出了器件極限，比如門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高或者母線(xiàn)電壓過(guò)高，都可能引起熱失控，導(dǎo)致器件失效，如圖2(b)中綠線(xiàn)所示。這條曲線(xiàn)表示的是母線(xiàn)電壓800V，門(mén)極電壓為18V的情況下，在短路脈沖延長(zhǎng)到4us時(shí)，器件發(fā)生失效。

圖2 IMZ120R045M1在不同門(mén)極電壓下的短路電流波形(a) Vdc=400V (b)Vdc=800V

從圖2中我們可以看出，短路電流與門(mén)極電壓成正相關(guān)，更高的門(mén)極電壓導(dǎo)致更高的短路電流，因此引起更高的結(jié)溫與更低的載流子遷移率。因此高門(mén)極電壓下的Id下降幅度會(huì)更大。

圖3顯示了IMZ120R045M1 在15V門(mén)極電壓，以及400V及800V母線(xiàn)電壓下的短路電流。從中可以看出，母線(xiàn)電壓對(duì)峰值電流影響很小。當(dāng)芯片開(kāi)始被加熱之后，800V母線(xiàn)電壓會(huì)產(chǎn)生更多的能量，導(dǎo)致芯片結(jié)溫高于400V母線(xiàn)電壓的情況，因此VDC=800時(shí)，漏極電流下降更快，峰值過(guò)后很快低于400V VDC。

圖3 IMZ120R045M1在不同母線(xiàn)電壓下的短路電流

SiC MOSFET 短路保護(hù)方法

目前有4種常用的短路檢測(cè)及保護(hù)方法，其原理示意圖如圖4所示。其中最直接的方式就是使用電流探頭或者分流電阻檢測(cè)漏極電流。業(yè)界最常用的方法是檢測(cè)飽和壓降。MOSFET正常導(dǎo)通時(shí)漏極電壓約為1~2V。短路發(fā)生時(shí)，短路電流會(huì)迅速上升至飽和值，漏極電壓也會(huì)上升至母線(xiàn)電壓。一旦測(cè)試到的Vds高于預(yù)設(shè)的參考值，被測(cè)器件會(huì)被認(rèn)為進(jìn)入短路狀態(tài)。

另一個(gè)典型的短路檢測(cè)解決方案是監(jiān)測(cè)di/dt. 在高功率IGBT模塊中，開(kāi)爾文發(fā)射極與功率發(fā)射極之間存在寄生電感。在開(kāi)關(guān)操作中，變化的電流會(huì)在電感兩端產(chǎn)生電壓VeE。通過(guò)檢測(cè)這個(gè)電壓，即可以判斷器件是否進(jìn)入短路狀態(tài)。

導(dǎo)通狀態(tài)下，Vds檢測(cè)需要一定的消隱時(shí)間防止誤觸發(fā)。另外，基于di/dt的檢測(cè)方式依賴(lài)于寄生電感LeE的值。除此之外，短路檢測(cè)還可以通過(guò)檢測(cè)門(mén)極電荷的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。短路發(fā)生時(shí)，門(mén)極波形不同于正常開(kāi)關(guān)波形，不存在米勒平臺(tái)。這種方法不需要消隱時(shí)間，也不依賴(lài)LeE.

圖4 4種SiC MOSFET的短路檢測(cè)及保護(hù)方法

快速短路保護(hù)電路搭建及測(cè)試波形

a) 測(cè)試平臺(tái)搭建

SiC MOSFET 短路保護(hù)電路通過(guò)英飛凌Eicedriver 1ED020I12-F2實(shí)現(xiàn)。1ED020I12-F2采用無(wú)磁芯變壓器技術(shù)來(lái)隔離信號(hào)，短路保護(hù)通過(guò)退飽和檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)。1ED020I12-F2可以提供高達(dá)2A的輸出電流，因此可以直接驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET，無(wú)需推挽電路。

評(píng)估板通過(guò)隔離變壓器給高邊和低邊分別提供隔離電源。評(píng)估板上有吸收電容，用來(lái)抑制電壓過(guò)沖。待測(cè)器件通過(guò)一根短線(xiàn)纜實(shí)現(xiàn)橋臂短路，雜散電感預(yù)估為100nH.

為了實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)，使用66pF的電容將消隱時(shí)間設(shè)定在約2us，觸發(fā)電平由driver IC內(nèi)部設(shè)置并固定在9V。另外，一個(gè)2~3k?的電阻Rx也可以用來(lái)加速短路的識(shí)別速度，但本次測(cè)試中沒(méi)有使用。

圖5 基于IMW120R045M1 (TO-247-3pin)與1ED020I12-F2的短路測(cè)試平臺(tái)

b)測(cè)試波形與結(jié)果

在測(cè)試波形中有4路信號(hào)，CH1是1ED020I12-F2 desat引腳處測(cè)得的電壓信號(hào)，CH2是由羅氏線(xiàn)圈PEM CWT-3B測(cè)得漏極電流。CH3與CH4分別為漏源電壓（Vds）與柵源電壓(Vgs)

測(cè)試波形如圖6所示。短路電流初始尖峰值達(dá)到250A。1ED020I12-F2’s DESAT引腳電壓在短路開(kāi)始后呈線(xiàn)性上升，在大約2us時(shí)到達(dá)9V，然后驅(qū)動(dòng)芯片開(kāi)始關(guān)斷輸出，將驅(qū)動(dòng)電壓下拉至負(fù)值，SiC MOSFET成功地在2.5us之內(nèi)成功關(guān)斷。

圖6 基于IMW120R045M1 (TO-247-3pin)與1ED020I12-F2的短路測(cè)試波形

結(jié)論

在實(shí)際應(yīng)用中，門(mén)極電壓對(duì)于驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET來(lái)說(shuō)非常重要，盡管更高的驅(qū)動(dòng)電壓可以帶來(lái)降低RDSON的好處，但是較高的門(mén)極電壓會(huì)帶來(lái)更高的短路電流。通過(guò)測(cè)試我們可以看到，對(duì)于IMZ120R045M1，在母線(xiàn)電壓800V，柵極電壓18V，短路脈沖4us的情況下，器件會(huì)出現(xiàn)短路失效。因此，出于導(dǎo)通特性與柵氧化層壽命及短路保護(hù)的折衷考慮，我們依然推薦15V的正驅(qū)動(dòng)電壓。

SiC MOSFET 與IGBT相比短路耐受時(shí)間比較短。但是，選擇合適的驅(qū)動(dòng)IC及外圍電路設(shè)置，SiC MOSFET依然能在短路時(shí)安全關(guān)斷，從而構(gòu)建非常牢固與可靠的系統(tǒng)。