基于源極電感檢測(cè)法的SiC MOSFET短路保護(hù)電路研究

李官軍，盧乙，殷實(shí)，余豪杰，李先允，殷帆

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇南京 210003；2.南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京 211167）

與傳統(tǒng)的Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 憑借高工作溫度、高開關(guān)頻率和低導(dǎo)通損耗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于如電機(jī)、逆變器、發(fā)電機(jī)等高壓、高溫和高工作頻率場(chǎng)合，但是，SiC MOSFET的柵極氧化物厚度較小，這降低了SiC MOSFET的可靠性，減小了其短路耐受時(shí)間，現(xiàn)有研究表明，SiC MOSFET 的短路耐受時(shí)間僅為2～5 μs，這對(duì)SiC MOSFET 短路保護(hù)電路的響應(yīng)時(shí)間和可靠性提出了更高的要求[1-3]。文獻(xiàn)[4]基于vds檢測(cè)法設(shè)計(jì)了一款SiC MOSFET 短路保護(hù)電路，同時(shí)采用電容和電阻消除vds檢測(cè)法存在的消隱時(shí)間，但是SiC MOSFET 漏源極電壓vds輸出曲線會(huì)隨著溫度的變化而變化，因此vds檢測(cè)法檢測(cè)精度容易受到溫度的影響。文獻(xiàn)[5]基于柵極電壓檢測(cè)法設(shè)計(jì)了一款SiC MOSFET 短路保護(hù)電路，該保護(hù)電路不存在消隱時(shí)間，且能在1 μs 內(nèi)完成保護(hù)動(dòng)作，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜且算法繁瑣，不適宜推廣使用。文獻(xiàn)[6]基于PCB 羅氏線圈設(shè)計(jì)了一款SiC MOSFET 短路保護(hù)電路，能夠在2 μs 內(nèi)完成保護(hù)動(dòng)作，且不存在消隱時(shí)間，但是羅氏線圈的測(cè)量精度很容易受電磁干擾。

針對(duì)上述問題，本文首先總結(jié)分析SiC MOSFET 短路故障特性，然后結(jié)合源極電感檢測(cè)法設(shè)計(jì)一款SiC MOSFET 短路保護(hù)電路并簡(jiǎn)要分析其工作原理，最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的SiC MOSFET 短路保護(hù)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠在器件發(fā)生硬開關(guān)短路故障和負(fù)載短路故障的1 μs 內(nèi)快速完成保護(hù)動(dòng)作，確保器件的安全運(yùn)行。

1 SiC MOSFET短路特性

圖1 所示為SiC MOSFET 短路特性測(cè)試電路原理圖。圖1 中，Vdc為母線直流電壓，C 為濾波電容，L 為負(fù)載電感，Lloop為電路回路中寄生電感，Rstray為電路回路中雜散電阻。

圖1 測(cè)試電路Fig.1 Test circuit

SiC MOSFET 短路故障主要分為兩類：硬開關(guān)短路故障（hard switching fault，HSF）和負(fù)載短路故障（fault under load，F(xiàn)UL）。HSF 是指器件在導(dǎo)通之前就已處于短路回路中，即器件一導(dǎo)通就立刻發(fā)生短路故障；FUL 是指器件在正常工作狀態(tài)下，負(fù)載發(fā)生短路故障。

圖2、圖3 所示為兩種短路故障情況下SiC MOSFET 漏源極電壓vds和漏極電流id波形。假設(shè)短路保護(hù)電路的動(dòng)作時(shí)間為Δt，發(fā)生短路故障時(shí)漏極電流上升速率相同，從圖2、圖3 可以得出：器件發(fā)生負(fù)載短路故障時(shí)，由于電路已正常工作一段時(shí)間，器件中已流過較大電流，因此短路電流峰值要遠(yuǎn)大于硬開關(guān)短路故障電流峰值，但是硬開關(guān)短路故障的器件損耗要遠(yuǎn)大于負(fù)載短路故障，因此兩種故障都需要快速的短路保護(hù)電路，以確保器件發(fā)生短路故障時(shí)不會(huì)損壞[7-8]。

圖2 HSF情況下電壓、電流波形Fig.2 Voltage and current waveforms in the case of HSF

圖3 FUL情況下電壓、電流波形Fig.3 Voltage and current waveforms in the case of FUL

以SiC MOSFET 硬開關(guān)短路故障為例，介紹器件的短路特性，由圖2 可以看出，SiC MOSFET的硬開關(guān)短路故障可以分為3個(gè)階段[9-10]。

階段1[t1—t2]：t1時(shí)刻之前，SiC MOSFET 處于關(guān)斷狀態(tài)，t1時(shí)刻器件導(dǎo)通并立刻發(fā)生短路故障，由于電路回路中阻抗較小，器件漏極電流id迅速上升，同時(shí)漏極電流id會(huì)在電路寄生電感Lloop和雜散電阻Rstray上產(chǎn)生壓降，使得器件漏源極電壓vds緩慢上升，該階段內(nèi)，器件結(jié)點(diǎn)溫度逐漸上升。

階段2[t2—t3]：SiC MOSFET 結(jié)點(diǎn)溫度繼續(xù)上升，如圖4所示，器件導(dǎo)通電阻阻值隨著結(jié)點(diǎn)溫度的上升而增加，隨著器件導(dǎo)通電阻阻值的增加，漏極電流id的上升速率降低。

圖4 導(dǎo)通電阻與結(jié)點(diǎn)溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between on-resistance and junction temperature

階段3[t3—∞]：t3時(shí)刻，器件關(guān)斷，漏極電流id逐漸下降并減小至零，器件漏源極電壓vds上升至母線直流電壓Vdc。

2 過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

目前SiC MOSFET 短路保護(hù)電路中所選用的檢測(cè)方法主要有：分流器檢測(cè)法、門極電壓檢測(cè)法、vds檢測(cè)法、羅氏線圈檢測(cè)法和源極電感檢測(cè)法，表1匯總了各種檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)[6-7]。

表1 各檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Advantages and disadvantages of detection methods

為了確保短路保護(hù)電路的快速響應(yīng)性和可靠性，本文基于源極電感檢測(cè)法設(shè)計(jì)保護(hù)電路，圖5 為本文設(shè)計(jì)的SiC MOSFET 短路保護(hù)電路原理圖，主要包括驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路和脈沖產(chǎn)生電路三個(gè)部分。

圖5 保護(hù)電路原理圖Fig.5 Protection circuit schematic

1）驅(qū)動(dòng)電路：由開關(guān)管Q1，Q2和驅(qū)動(dòng)電阻RG組成，開關(guān)管Q1，Q2構(gòu)成圖騰柱結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生SiC MOSFET 開關(guān)所需的驅(qū)動(dòng)電壓，也可用專用驅(qū)動(dòng)芯片替代。

2）采樣電路：由電感LS、電阻R1～R5、二極管D1、鉗位二極管D2和電容C1組成，電感LS串聯(lián)于SiC MOSFET 器件源極，采樣電路并聯(lián)于LS兩端，其中電阻R2和鉗位二極管D2組成電壓鉗位電路，以防止采樣電壓值過大損壞邏輯芯片，采樣電壓經(jīng)電阻R3，R4分壓后，通過電阻R5對(duì)電容C1進(jìn)行充電，電容C1同時(shí)起到濾波的作用。本文中選取LS=20 nH，R1=R2=510 Ω，R3=10 kΩ，R4=50 kΩ，R5=1 kΩ，C1=10 pF。

3）脈沖產(chǎn)生電路：由電壓比較器、D型觸發(fā)器和“與”邏輯門組成，采樣電壓通過電阻R5對(duì)電容C1進(jìn)行充電，當(dāng)C1中電壓超過參考電壓Vref時(shí)，電壓比較器發(fā)出高電平，此時(shí)D 型觸發(fā)器CLK 端接收脈沖由低電平轉(zhuǎn)為高電平，因此Q—輸出端的輸出脈沖由高電平轉(zhuǎn)為低電平并保持不變，“與”邏輯門輸出被鎖定為低電平，并將SiC MOSFET 柵極電壓強(qiáng)制拉至低電平以關(guān)斷器件。

表2 總結(jié)了電路中各器件和RC 電路所引起的延時(shí)。

表2 電路延時(shí)Tab.2 Delay of the circuit

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用圖6所示測(cè)試電路對(duì)所設(shè)計(jì)的SiC MOSFET 短路保護(hù)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為了防止實(shí)驗(yàn)過程中SiC MOSFET 短路損壞，在電路回路中增加小阻值電阻Rpro。

圖6 測(cè)試電路Fig.6 Test circuit

根據(jù)圖6 所示測(cè)試電路原理圖搭建圖7 所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Experimental platform

圖7中，示波器為Tektronix公司的DPO4054B，電壓探頭為TPP0500，P5205A 和THDP0200，電流探頭為TCP0030A，觸發(fā)脈沖信號(hào)由DSP 發(fā)出，SiC MOSFET采用CREE公司的C2M0040120D，其耐壓為1 200 V，可持續(xù)工作電流為60 A，導(dǎo)通電阻為0.04 Ω。

為了測(cè)試所設(shè)計(jì)保護(hù)電路實(shí)際效果，進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，分別模擬SiC MOSFET 發(fā)生硬開關(guān)短路故障和負(fù)載短路故障，圖8為兩組實(shí)驗(yàn)上、下開關(guān)管觸發(fā)脈沖波形。

圖8 開關(guān)管觸發(fā)脈沖Fig.8 Switching tube trigger pulse

圖9、圖10分別為實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2的測(cè)試波形。

通過圖9、圖10 可以得出：當(dāng)SiC MOSFET 發(fā)生硬開關(guān)短路故障或負(fù)載短路故障時(shí)，器件漏極電流id迅速上升，所設(shè)計(jì)的短路保護(hù)電路能夠在1 μs 內(nèi)關(guān)斷器件，完成保護(hù)動(dòng)作，確保器件的安全運(yùn)行。

圖9 實(shí)驗(yàn)1測(cè)試波形Fig.9 Test waveforms of experiment 1

圖10 實(shí)驗(yàn)2測(cè)試波形Fig.10 Test waveforms of experiment 2

4 結(jié)論

本文基于源極電感檢測(cè)法設(shè)計(jì)一款SiC MOSFET短路保護(hù)電路并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)SiC MOSFET 發(fā)生硬開關(guān)短路故障或負(fù)載短路故障時(shí)，所設(shè)計(jì)的短路保護(hù)電路均能在1 μs 內(nèi)關(guān)斷器件，完成保護(hù)動(dòng)作，確保器件的安全可靠運(yùn)行，同時(shí)，所設(shè)計(jì)的保護(hù)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠應(yīng)用于各種SiC MOSFET。