碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略研究

朱 沁

上海電氣輸配電集團(tuán) 上海 200042

1 研究背景

隨著電力電子設(shè)備要求的提高與功率半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展,以碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體正逐步實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。與傳統(tǒng)硅材料相比,碳化硅材料阻斷電壓高,高頻特性好,導(dǎo)通電阻低,通態(tài)損耗小,在提高系統(tǒng)效率的同時(shí)有利于減小散熱器、電感等設(shè)備的體積,從而提高功率密度,滿足設(shè)備小型化、集成化的發(fā)展要求。在實(shí)際應(yīng)用中,功率器件的可靠性問題,特別是短路問題不可忽視。與傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管相比,碳化硅場(chǎng)效晶體管功率密度高,在短路條件下電流密度是前者的5～10倍。另一方面,碳化硅材料的溝道遷移率低,使導(dǎo)通碳化硅器件需更高的驅(qū)動(dòng)電壓,由此導(dǎo)致碳化硅器件的短路電流遠(yuǎn)高于同等級(jí)硅器件,且碳化硅器件的短路耐受時(shí)間更短。已有研究表明,在短路發(fā)生后的2～3μs時(shí)間內(nèi)封鎖開通脈沖,才能對(duì)碳化硅器件實(shí)現(xiàn)有效保護(hù),這對(duì)短路檢測(cè)和短路保護(hù)提出了更高的要求。

常見的短路保護(hù)方法有漏源電壓檢測(cè)法、電流傳感器電流檢測(cè)法、霍爾電流變化率檢測(cè)法、柵極電荷檢測(cè)法等。漏源電壓檢測(cè)法利用器件的輸出特性,通過漏源電壓有效反映漏極電流的大小,原理簡(jiǎn)單,成本低,在目前的驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)中使用廣泛。但是,傳統(tǒng)的絕緣柵雙極晶體管驅(qū)動(dòng)器漏源電壓檢測(cè)法存在短路響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、門極電阻值需要調(diào)節(jié)、門極鉗位不理想、短路電流過大等缺點(diǎn),對(duì)功率密度高的碳化硅場(chǎng)效晶體管不具有通用性。對(duì)此,筆者對(duì)漏源電壓檢測(cè)保護(hù)電路進(jìn)行分析,提出碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略。

2 傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護(hù)策略

傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管漏源電壓檢測(cè)保護(hù)電路如圖1所示。當(dāng)絕緣柵雙極晶體管關(guān)斷時(shí),場(chǎng)效晶體管T1導(dǎo)通,電流源1被場(chǎng)效晶體管T1旁路,電容Ca的電位被鉗在低位,比較器不翻轉(zhuǎn)。當(dāng)絕緣柵雙極晶體管進(jìn)入開通的過程中,場(chǎng)效晶體管T1截止,絕緣柵雙極晶體管進(jìn)入飽和導(dǎo)通,電流源1通過檢測(cè)電阻Rm、二極管Dm、絕緣柵雙極晶體管形成回路,比較器不翻轉(zhuǎn)。當(dāng)絕緣柵雙極晶體管出現(xiàn)短路時(shí),絕緣柵雙極晶體管退出飽和區(qū),漏源電壓快速升高至直流母線電壓,二極管Dm截止,電流源1向電容Ca充電,電容Ca的電位線性升高,達(dá)到閾值時(shí)比較器翻轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)器發(fā)出短路故障信號(hào)。

圖1 傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管漏源電壓檢測(cè)保護(hù)電路

傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護(hù)策略有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

(1) 關(guān)斷電壓尖峰。絕緣柵雙極晶體管在正常情況關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的電壓尖峰,但數(shù)值不會(huì)太高。若在交流器過載或橋臂短路時(shí)關(guān)斷絕緣柵雙極晶體管,則產(chǎn)生的電壓尖峰會(huì)非常高,此時(shí)絕緣柵雙極晶體管容易因電壓尖峰而損壞。對(duì)此,常采用有源鉗位電路,如圖2所示。但是,這種有源鉗位電路有明顯的缺點(diǎn)。有源鉗位電路工作在絕緣柵雙極晶體管關(guān)斷的瞬間,此時(shí)絕緣柵雙極晶體管驅(qū)動(dòng)器的最后一級(jí)三極管T3開通,有源鉗位二極管的一部分電流Iz流入門極電阻,另一部分電流Ic流入三極管T1。三極管T1的阻抗低,導(dǎo)致有源鉗位二極管Dz的電流增大,從而使短路電壓持續(xù)升高,鉗位效果不好。對(duì)于碳化硅場(chǎng)效晶體管而言,其開關(guān)速率比絕緣柵雙極晶體管更快,輸入電容更小,對(duì)系統(tǒng)中的雜散參數(shù)更為敏感,所以碳化硅場(chǎng)效晶體管短路時(shí)電壓尖峰更高,傳統(tǒng)有源鉗位電路抑制電壓尖峰的效果非常不明顯。

圖2 傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管有源鉗位電路

(2) 短路電流。通常短路電流為正常工作電流的5～10倍,在短路關(guān)斷瞬間電流尖峰則更高。過高的電流尖峰容易造成絕緣柵雙極晶體管損壞,加之米勒效應(yīng),過高的電流尖峰容易引起絕緣柵雙極晶體管誤開通。碳化硅器件的輸入電容比同等級(jí)硅器件小,門極導(dǎo)通壓降比同等級(jí)硅器件低,米勒效應(yīng)更加顯著。解決這一問題的通常方法是增加關(guān)斷電阻,但與此同時(shí)會(huì)帶來關(guān)斷延時(shí)與關(guān)斷損耗增加等問題。

(3) 短路響應(yīng)時(shí)間。短路故障發(fā)生時(shí),絕緣柵雙極晶體管出現(xiàn)退飽和現(xiàn)象,絕緣柵雙極晶體管的損耗會(huì)顯著增加。在不影響絕緣柵雙極晶體管性能的前提下,絕緣柵雙極晶體管所能承受短路大電流的時(shí)間非常短,只有10μs。碳化硅場(chǎng)效晶體管所能承受短路大電流的時(shí)間則更短,只有3μs左右,這就要求漏源電壓檢測(cè)保護(hù)電路更加靈敏,響應(yīng)時(shí)間更短。

3 碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略

針對(duì)傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護(hù)策略關(guān)斷電壓尖峰高、短路電流大、短路響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問題,筆者對(duì)漏源電壓檢測(cè)保護(hù)電路進(jìn)行分析,提出碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略。傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護(hù)策略短路電流分析如圖3所示。短路時(shí),絕緣柵雙極晶體管進(jìn)入退飽和區(qū),此時(shí)有源鉗位二極管截止,短路檢測(cè)總電流Itvs共有三個(gè)分支:Iac3流向集電極檢測(cè)端ACL,與驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部恒流源進(jìn)行比較翻轉(zhuǎn)后,發(fā)出故障信號(hào);Iac2通過門極二極管流向絕緣柵雙極晶體管的門極;Iac1通過門極二極管流向驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的推挽三極管T2。

圖3 傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護(hù)策略短路電流分析

由短路電流分析可知,基于傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護(hù)策略,希望總短路電流Itvs盡可能由Iac3和Iac2組成,但是由于關(guān)斷時(shí)刻驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部三極管T2開通時(shí)阻抗更低,大部分電流會(huì)經(jīng)過關(guān)斷電阻Roff成為Iac1,這樣會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問題。第一,由于三極管T2旁路了大部分Iac1,總短路電流Itvs只有更大,才能使Iac3達(dá)到檢測(cè)電位點(diǎn),這樣會(huì)增大短路總電流,延長(zhǎng)檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間。第二,Iac1的分流使Iac2減小,進(jìn)而使絕緣柵雙極晶體管的門極電壓降低,造成有源鉗位效果不明顯,關(guān)斷電壓尖峰得不到有效的抑制。

目前工程上采用的改進(jìn)方法是增大關(guān)斷電阻Roff。這種方法雖然能夠在一定程度上提高有源鉗位電路的效率,抑制短路關(guān)斷電壓尖峰,但是關(guān)斷電阻增大與開關(guān)損耗低、開關(guān)速度快是相互矛盾的,而且增大關(guān)斷電阻還會(huì)增加關(guān)斷延時(shí),因此很難滿足碳化硅器件極短的關(guān)斷時(shí)間要求。

筆者提出的碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略短路電流分析如圖4如示。保護(hù)策略為,當(dāng)碳化硅場(chǎng)效晶體管短路時(shí),驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部推挽三極管T5發(fā)出用于調(diào)節(jié)的200 MHz高電平脈沖,直到碳化硅場(chǎng)效晶體管完全關(guān)斷為止。高電平脈沖的持續(xù)時(shí)間大約為500 ns。對(duì)短路電流進(jìn)行具體分析:短路時(shí),碳化硅場(chǎng)效晶體管進(jìn)入退飽和區(qū),此時(shí)有源鉗位二極管截止,短路檢測(cè)總電流Itvs分為三個(gè)分支Iac1、Iac2、Iac3;驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部推挽三極管T5連續(xù)發(fā)出高電平脈沖,Iac3回路阻抗最低,短路電流主要流向漏源電壓檢測(cè)引腳;與此同時(shí),高電平脈沖使碳化硅場(chǎng)效晶體管被部分打開,使關(guān)斷電壓尖峰得到抑制;Iac1與Iac3相比較小,可以忽略不計(jì),即可忽略關(guān)斷電阻Roff對(duì)短路電壓、電流的影響。采用碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略,Iac3增大使短路響應(yīng)時(shí)間縮短,實(shí)測(cè)短路響應(yīng)時(shí)間最短可以達(dá)到1.8μs。與傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護(hù)策略相比,碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略在短路響應(yīng)時(shí)間、短路電流、關(guān)斷電壓尖峰等方面都有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖4 碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略短路電流分析

通過試驗(yàn)證明,碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略對(duì)于電壓尖峰的抑制優(yōu)于傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護(hù)策略。以CAS300M12BM2碳化硅模塊為例,在直流母線電壓為800 V,門極開通電壓為15 V,關(guān)斷電壓為-5 V,開通關(guān)斷電阻為2.5 Ω,短路響應(yīng)時(shí)間為1.8μs時(shí),短路電流為2 520 A,母線電壓關(guān)斷值為959 V。將門極開通電壓升高至20 V,短路響應(yīng)時(shí)間為2.445μs,此時(shí)短路電流為4 280 A,母線電壓關(guān)斷值為972 V。由此可見,采用碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略,短路電流即使增大為原來的2倍,母線電壓關(guān)斷值也不會(huì)有明顯升高,對(duì)關(guān)斷電壓尖峰的抑制作用明顯。

通過以上分析,碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略具有三方面優(yōu)勢(shì)。

(1) 具有更好的關(guān)斷電壓尖峰抑制效果,門極電阻不會(huì)影響有源鉗位性能,提高了開關(guān)管的速率,并且降低了開關(guān)損耗。

(2) 在短路大電流條件下能夠快速關(guān)斷碳化硅場(chǎng)效晶體管,有效減小了米勒電流,從而削弱了米勒效應(yīng)的影響。

(3) 最快可以在1.8μs內(nèi)關(guān)斷碳化硅場(chǎng)效晶體管,相比傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護(hù)策略,短路響應(yīng)時(shí)間更短,并且更安全。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用所提出的碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略,選用SIC1182K芯片進(jìn)行試驗(yàn),以驗(yàn)證碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略的有效性。

SIC1182K芯片原理如圖5所示。

圖5 SIC1182K芯片原理

在碳化硅場(chǎng)效晶體管開通過渡階段及保持開通狀態(tài)時(shí),門極電壓升高為高電平,檢測(cè)漏源電壓的引腳SNS表現(xiàn)為高阻態(tài),漏源電壓的檢測(cè)功能被使能,此時(shí)可以對(duì)碳化硅場(chǎng)效晶體管的漏源電壓進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)漏源電壓檢測(cè)引腳SNS的電壓高于閾值0.4 V時(shí),認(rèn)定發(fā)生短路故障,驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的推挽三極管發(fā)出用于調(diào)節(jié)的200 MHz高電平脈沖,直到碳化硅場(chǎng)效晶體管完全關(guān)斷為止,時(shí)長(zhǎng)約500 ns。在碳化硅場(chǎng)效晶體管關(guān)斷過渡階段及保持關(guān)斷狀態(tài)時(shí),門極電壓降低至關(guān)斷低電平,檢測(cè)漏源電壓的引腳SNS表現(xiàn)為低阻抗,對(duì)漏源電壓進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)流入的電流達(dá)到535μA時(shí),門極電壓會(huì)升高,將碳化硅場(chǎng)效晶體管鉗制在線性區(qū),可以防止出現(xiàn)關(guān)斷電壓尖峰。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示,試驗(yàn)短路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示,由羅戈夫斯基線圈測(cè)量碳化硅場(chǎng)效晶體管的輸出漏極電流。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖7 試驗(yàn)短路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)母線電壓調(diào)節(jié)至800 V,碳化硅場(chǎng)效晶體管的正常電流為30 A,用短導(dǎo)線短路三極管Q2,驅(qū)動(dòng)板上開通關(guān)斷電阻設(shè)置為15 Ω,此時(shí)對(duì)三極管Q1

發(fā)出一個(gè)時(shí)長(zhǎng)為2.5μs的高電平脈沖。觀察門極電壓、漏源電壓檢測(cè)引腳信號(hào)、故障信號(hào)、短路電流。

試驗(yàn)檢測(cè)界面如圖8所示,黃色通道為門極電壓,綠色通道為漏源電壓檢測(cè)引腳信號(hào),藍(lán)色通道為故障信號(hào),紅色通道為短路電流。

圖8 試驗(yàn)檢測(cè)界面

對(duì)三極管Q1發(fā)出時(shí)長(zhǎng)為2.5μs的高電平脈沖,門極電壓開通三極管Q1。漏源電壓檢測(cè)引腳為高阻態(tài),漏源電壓的檢測(cè)功能被使能,可以對(duì)碳化硅場(chǎng)效晶體管的漏源電壓進(jìn)行檢測(cè)。漏源電壓檢測(cè)引腳發(fā)現(xiàn)短路故障,短路電流達(dá)到200 A,檢測(cè)時(shí)間為1μs。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的推挽三極管發(fā)出用于調(diào)節(jié)的200 MHz高電平脈沖,直到碳化硅場(chǎng)效晶體管完全關(guān)斷為止,時(shí)長(zhǎng)約500 ns。

5 結(jié)束語(yǔ)

碳化硅場(chǎng)效晶體管是一種性能優(yōu)異的高壓開關(guān)器件,但需要重視關(guān)斷電壓尖峰、短路電流等問題。傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護(hù)策略不適用于碳化硅場(chǎng)效晶體管,對(duì)此,筆者提出了碳化硅場(chǎng)效晶體管短路保護(hù)策略,并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。