基于源極電感檢測法的SiC MOSFET短路保護電路研究

李官軍，盧乙，殷實，余豪杰，李先允，殷帆

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

與傳統的Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 憑借高工作溫度、高開關頻率和低導通損耗等優點，被廣泛應用于如電機、逆變器、發電機等高壓、高溫和高工作頻率場合，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間，現有研究表明，SiC MOSFET 的短路耐受時間僅為2～5 μs，這對SiC MOSFET 短路保護電路的響應時間和可靠性提出了更高的要求[1-3]。文獻[4]基于vds檢測法設計了一款SiC MOSFET 短路保護電路，同時采用電容和電阻消除vds檢測法存在的消隱時間，但是SiC MOSFET 漏源極電壓vds輸出曲線會隨著溫度的變化而變化，因此vds檢測法檢測精度容易受到溫度的影響。文獻[5]基于柵極電壓檢測法設計了一款SiC MOSFET 短路保護電路，該保護電路不存在消隱時間，且能在1 μs 內完成保護動作，但是電路結構復雜且算法繁瑣，不適宜推廣使用。文獻[6]基于PCB 羅氏線圈設計了一款SiC MOSFET 短路保護電路，能夠在2 μs 內完成保護動作，且不存在消隱時間，但是羅氏線圈的測量精度很容易受電磁干擾。

針對上述問題，本文首先總結分析SiC MOSFET 短路故障特性，然后結合源極電感檢測法設計一款SiC MOSFET 短路保護電路并簡要分析其工作原理，最后搭建實驗平臺進行實驗驗證，實驗結果表明，設計的SiC MOSFET 短路保護電路，結構簡單，能夠在器件發生硬開關短路故障和負載短路故障的1 μs 內快速完成保護動作，確保器件的安全運行。

1 SiC MOSFET短路特性

圖1 所示為SiC MOSFET 短路特性測試電路原理圖。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 測試電路Fig.1 Test circuit

SiC MOSFET 短路故障主要分為兩類：硬開關短路故障（hard switching fault，HSF）和負載短路故障（fault under load，FUL）。HSF 是指器件在導通之前就已處于短路回路中，即器件一導通就立刻發生短路故障；FUL 是指器件在正常工作狀態下，負載發生短路故障。

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。假設短路保護電路的動作時間為Δt，發生短路故障時漏極電流上升速率相同，從圖2、圖3 可以得出：器件發生負載短路故障時，由于電路已正常工作一段時間，器件中已流過較大電流，因此短路電流峰值要遠大于硬開關短路故障電流峰值，但是硬開關短路故障的器件損耗要遠大于負載短路故障，因此兩種故障都需要快速的短路保護電路，以確保器件發生短路故障時不會損壞[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的硬開關短路故障可以分為3個階段[9-10]。

階段1[t1—t2]：t1時刻之前，SiC MOSFET 處于關斷狀態，t1時刻器件導通并立刻發生短路故障，由于電路回路中阻抗較小，器件漏極電流id迅速上升，同時漏極電流id會在電路寄生電感Lloop和雜散電阻Rstray上產生壓降，使得器件漏源極電壓vds緩慢上升，該階段內，器件結點溫度逐漸上升。

階段2[t2—t3]：SiC MOSFET 結點溫度繼續上升，如圖4所示，器件導通電阻阻值隨著結點溫度的上升而增加，隨著器件導通電阻阻值的增加，漏極電流id的上升速率降低。

圖4 導通電阻與結點溫度的關系Fig.4 Relationship between on-resistance and junction temperature

階段3[t3—∞]：t3時刻，器件關斷，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 過流保護電路設計

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

表1 各檢測方法優缺點Tab.1 Advantages and disadvantages of detection methods

為了確保短路保護電路的快速響應性和可靠性，本文基于源極電感檢測法設計保護電路，圖5 為本文設計的SiC MOSFET 短路保護電路原理圖，主要包括驅動電路、采樣電路和脈沖產生電路三個部分。

圖5 保護電路原理圖Fig.5 Protection circuit schematic

1）驅動電路：由開關管Q1，Q2和驅動電阻RG組成，開關管Q1，Q2構成圖騰柱結構，用于產生SiC MOSFET 開關所需的驅動電壓，也可用專用驅動芯片替代。

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串聯于SiC MOSFET 器件源極，采樣電路并聯于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，采樣電壓經電阻R3，R4分壓后，通過電阻R5對電容C1進行充電，電容C1同時起到濾波的作用。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）脈沖產生電路：由電壓比較器、D型觸發器和“與”邏輯門組成，采樣電壓通過電阻R5對電容C1進行充電，當C1中電壓超過參考電壓Vref時，電壓比較器發出高電平，此時D 型觸發器CLK 端接收脈沖由低電平轉為高電平，因此Q—輸出端的輸出脈沖由高電平轉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 柵極電壓強制拉至低電平以關斷器件。

表2 總結了電路中各器件和RC 電路所引起的延時。

表2 電路延時Tab.2 Delay of the circuit

3 實驗驗證

采用圖6所示測試電路對所設計的SiC MOSFET 短路保護電路進行實驗驗證，為了防止實驗過程中SiC MOSFET 短路損壞，在電路回路中增加小阻值電阻Rpro。

圖6 測試電路Fig.6 Test circuit

根據圖6 所示測試電路原理圖搭建圖7 所示實驗平臺。

圖7 實驗平臺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，觸發脈沖信號由DSP 發出，SiC MOSFET采用CREE公司的C2M0040120D，其耐壓為1 200 V，可持續工作電流為60 A，導通電阻為0.04 Ω。

為了測試所設計保護電路實際效果，進行兩組實驗，分別模擬SiC MOSFET 發生硬開關短路故障和負載短路故障，圖8為兩組實驗上、下開關管觸發脈沖波形。

圖8 開關管觸發脈沖Fig.8 Switching tube trigger pulse

圖9、圖10分別為實驗1、實驗2的測試波形。

通過圖9、圖10 可以得出：當SiC MOSFET 發生硬開關短路故障或負載短路故障時，器件漏極電流id迅速上升，所設計的短路保護電路能夠在1 μs 內關斷器件，完成保護動作，確保器件的安全運行。

圖9 實驗1測試波形Fig.9 Test waveforms of experiment 1

圖10 實驗2測試波形Fig.10 Test waveforms of experiment 2

4 結論

本文基于源極電感檢測法設計一款SiC MOSFET短路保護電路并對其進行實驗驗證。實驗結果表明，當SiC MOSFET 發生硬開關短路故障或負載短路故障時，所設計的短路保護電路均能在1 μs 內關斷器件，完成保護動作，確保器件的安全可靠運行，同時，所設計的保護電路結構簡單，能夠應用于各種SiC MOSFET。