SIC MOSFET驅動電路設計-短路保護

2021-02-15 新能源電動汽車技術

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上期回顧：SIC MOSFET驅動電路設計概述

為確保碳化矽(SiC)功率器件在過載、短路等工況下能安全可靠地工作，必須充分認識SiC 器件的短路機理。由於SIC MOSFET晶圓面積小，電流密度大且短路能力較弱，因此對電路保護要求更高。

SIC MOSFET驅動電路與現有的SI功率器件驅動電路相兼容，但其驅動電路中的短路保護部分比較難搞。

一方面，在SI IGBT的數據手冊中，短路電流及其與柵射級電壓的關係曲線、短路承受時間是被列出來的，但主流SIC MOSFET的廠商在Datasheet中並沒有提供關於短路承受時間與短路電流的數據。

以ST的650V/110A的SIC MOSFET，型號為：SCTW90N65G2V，和650V/120A的IGBT，型號為：STGYA120M65DF2，為例，參考其Datasheet進行對比。在特性中：IGBT的Datesheet明確標註短路承受時間6us，如圖1所示，SIC MOSFET的Datesheet沒有標註短路承受時間，如圖2，IGBT的Datesheet中有IGBT短路電流時間與短路電流和VGE關係，如圖3，而SIC MOSFET的Datesheet沒有。

圖1 IGBT特性

圖2 SIC MOSFET特性

圖3 IGBT短路電流時間與短路電流和VGE關係

另一方面，一些研究人員已發表的關於SIC MOSFET的短路承受時間的數據都比較小。SIC MOSFET的單次短路承受時間很短，並且在進行重複性短路測試以後，SIC MOSFET會出現老化現象，例如CREE的第一代TO247封裝的SIC MOSFET（CPMF-1200-S160B），在Vds=400V，Vgs=18V，Tcase=115℃，Ton=14us的條件下測試，1000次短路脈衝後，閾值電壓和柵極漏電流出現明顯變化，柵極漏電流增加了大約8個數量級，閾值電壓增加了約0.9V，短路電流也出現明顯下降。

短路故障的種類

在實際電路中，可能會出現兩種短路故障。

一種是，在正常工作時，負載突然短路，器件從正常工作狀態迅速轉換成高壓大電流狀態；另一種是在工作前，負載已經處於短路狀態，這時時從零電流狀態迅速調至器件承受大電流狀態。

短路保護

在高壓大功率應用中，SIC MOSFET會遇到短路或者過流的情形，驅動保護電路需要快速檢測到錯誤狀態，然後再器件和電路損壞之前安全關閉SIC MOSFET。再IGBT的短路保護電路中，常用的是去飽和檢測Vce,去飽和電路也可以用在SIC MOSFET驅動電路的保護電路中，相對於IGBT來說，SI MOSFET的脈衝電流和短路承受時間更小，需要降低消隱時間和參考電壓的閾值。如圖4，IGBT的去飽和電路，C13_UB為消隱電容。

4 IGBT的去飽和電路

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