1、SiC-MOSFET模塊

　　如今，對(duì)高效的功率能量轉(zhuǎn)換的需求催生了全SiC-MOSFET模塊，它由并聯(lián)的SiC-MOSFET和SiC二極管芯片組成。在參考文獻(xiàn)［1， 2， 3， 4］中，專(zhuān)門(mén)介紹了Mitsubishi Electric的1200V/800A全SiC-MOSFET模塊FMF800DX-24A，該模塊適合幾百kW級(jí)別的大功率應(yīng)用。有了這款功率模塊，設(shè)計(jì)者將能夠?qū)崿F(xiàn)100 kHz的高開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率或高功率密度。

　　相較于Si-IGBT，當(dāng)今的SiC-MOSFET只能提供數(shù)微秒的短路耐受能力。因此，F(xiàn)MF800DX-24A提供了檢測(cè)輸出功能，該功能可提供實(shí)際漏極電流的信息并可用于可調(diào)整的過(guò)流或短路檢測(cè)。借助此功能，通過(guò)大幅降低開(kāi)關(guān)功耗（如下所示），可安全關(guān)斷較大的過(guò)流或短路。

　　FMF800DX-24A的MOSFET部分包含八個(gè)并聯(lián)的100A芯片，它們能夠耐受tSC = 2 μs的最大短路時(shí)間（參見(jiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)）。對(duì)于門(mén)極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在如此有限的時(shí)間內(nèi)安全關(guān)斷短路可能比較困難，除非在正常開(kāi)關(guān)操作期間就保持極高的短路檢測(cè)敏感度，但這樣很容易造成短路保護(hù)誤觸發(fā)。正是在這種需求的驅(qū)動(dòng)下，一種先進(jìn)的過(guò)流及短路檢測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生。

　　FMF800DX-24A提供了一個(gè)獨(dú)立的源極區(qū)域，其作用就像主源極端子的電流鏡像，并且可提供檢測(cè)電流iSense，該電流與漏極電流iD成正比。圖1所示為等效電路。檢測(cè)輸出功能的特征可從［4］獲取。該檢測(cè)電流可通過(guò)分流電阻RS轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，該信號(hào)再重新轉(zhuǎn)化為實(shí)際電流值的信息。這可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流或短路檢測(cè)。

　　FMF800DX-24A的門(mén)極可以使用+15V/-10V控制，這是控制IGBT的常用電壓水平。

　　【圖1：檢測(cè)輸出】

　　2、FMF800DX-24A的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器

　　圖2（b）中所示的驅(qū)動(dòng)器的電路中除了提供常見(jiàn)的柵源極電壓、有源鉗位電路和dv/dt反饋（參見(jiàn)［5， 6］）外，還可以提供一個(gè)電路用于評(píng)估SiC-模塊的Sense和S端子之間的檢測(cè)輸出（參見(jiàn)圖1）。因此，驅(qū)動(dòng)器能夠測(cè)量出漏極電流的實(shí)際值，從而關(guān)斷過(guò)流。過(guò)流限值可通過(guò)選取適當(dāng)?shù)臋z測(cè)電阻RS值來(lái)設(shè)定。這樣功率模塊與驅(qū)動(dòng)器就實(shí)現(xiàn)了有效結(jié)合，過(guò)流和過(guò)壓等風(fēng)險(xiǎn)幾乎無(wú)法對(duì)其造成損壞。

　　【圖2：安裝了驅(qū)動(dòng)器的SiC模塊】

　　FMF800DX-24A的等效電路以及測(cè)試下管的裝置的相關(guān)參數(shù)如圖2（a）所示。控制電路將PWM電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器光纖接口的光纖信號(hào)。另一方面，狀態(tài)反饋光纖信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)SO。驅(qū)動(dòng)器電路的主要功能如圖3所示。在此電路中，過(guò)壓檢測(cè)通過(guò)一串TVS二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)關(guān)斷瞬間的漏-源極電壓高于約900V的靜態(tài)值時(shí)，過(guò)壓檢測(cè)將信號(hào)饋入門(mén)極，同時(shí)還會(huì)反饋給2SC0435門(mén)極驅(qū)動(dòng)核的ACL管腳。關(guān)斷時(shí)得到的漏-源極電壓的動(dòng)態(tài)峰值始終稍微大一點(diǎn)，這是因?yàn)門(mén)VS串需要一定的響應(yīng)時(shí)間。電路中有一個(gè)串聯(lián)的電容鏈，用于提供從漏極到門(mén)極的dv/dt反饋。在下面的測(cè)量中，dv/dt反饋功能并未使用，但當(dāng)過(guò)壓檢測(cè)的響應(yīng)速度不夠快時(shí)，這種方法很有用，可以降低最大漏-源極斜率。由于dv/dt反饋會(huì)產(chǎn)生額外的功耗，因此只在有需要時(shí)才用。

　　【圖3：PI驅(qū)動(dòng)核驅(qū)動(dòng)下管的等效電路】

　　推薦的過(guò)流保護(hù)做法是，測(cè)量分流電阻RS的電壓并將其與恒定參考值進(jìn)行比較。如果實(shí)際值高于參考值，F(xiàn)MF800DX-24A門(mén)極與源極之間的MOSFET

　　T1將會(huì)在一個(gè)較大的門(mén)極電阻下導(dǎo)通，這會(huì)使MOSFET T1的導(dǎo)通電阻保持在相對(duì)較高的水平。因此，SiC-MOSFET門(mén)極即可實(shí)現(xiàn)緩慢放電或軟關(guān)斷（SSD）。由此，漏極電流斜率得以減小，進(jìn)而降低了在過(guò)流或短路關(guān)斷時(shí)的過(guò)壓峰值。為了避免T1出現(xiàn)導(dǎo)通/關(guān)斷振蕩，此外還會(huì)鎖定比較器的輸出信號(hào)。主功率電路中始終存在的噪聲由分流電阻RS旁邊的低通濾波器進(jìn)行濾除。通過(guò)此電路，可實(shí)現(xiàn)可調(diào)整的過(guò)流保護(hù)。

　　3、測(cè)量

　　3.1. 測(cè)試設(shè)置

　　為了驗(yàn)證門(mén)極驅(qū)動(dòng)器與FMF800DX-24A組合使用時(shí)的開(kāi)關(guān)行為，在降壓變換器拓?fù)渲袑?duì)下管MOSFET進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，如圖4（b）所示。半橋的上管開(kāi)關(guān)保持持續(xù)關(guān)斷，內(nèi)置的二極管為負(fù)載電感（LLoad≈ 30 μH）提供續(xù)流路徑。為了優(yōu)化換流回路的雜散電感值，在盡量靠近SiC模塊的DC+與DC-之間安裝外置的吸收電容。圖2（a）中所示的測(cè)量信號(hào)分別采用差分探頭和電流探頭進(jìn)行測(cè)量。

　　【圖4：測(cè)量開(kāi)關(guān)瞬態(tài)的裝置 】

　　對(duì)于此半橋結(jié)構(gòu)，F(xiàn)MF800DX-24A的漏極電流iD測(cè)量不到，而是測(cè)量源極電流iS=

　　iS1 + iS2。圖4（a）所示為測(cè)試裝置及相關(guān)測(cè)試裝備的照片。

　　3.2. 不帶SSD功能的開(kāi)關(guān)行為

　　FMF800DX-24A與推薦的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)行為如圖5所示，其中圖5（a）顯示了VDC =800V、ID =1200A時(shí)的開(kāi)通瞬間，開(kāi)通電阻值RG，ON = 2.5Ω。此時(shí)，SiC-二極管的極快速恢復(fù)性能非常明顯。圖5（b）中VDC =800V、ID =1850A時(shí)的關(guān)斷瞬間顯示了有源鉗位電路的功能，該電路即使對(duì)SiC-MOSFET也能有效工作。漏-源極電壓限定在約1000V。在時(shí)間間隔t = 0.7 μs

　　 0.8 μs中，驅(qū)動(dòng)器使SiC-門(mén)極處于有源區(qū)，因此會(huì)減小漏極電流斜率。如果需要將漏-源極電壓限制的更低，可以激活板上提供的dv/dt反饋，同時(shí)應(yīng)考慮到這會(huì)產(chǎn)生更高的關(guān)斷和開(kāi)通開(kāi)關(guān)損耗。

　　3.3. 軟關(guān)斷（SSD）

　　激活SSD功能有可能減小FMF800DX-24A可開(kāi)關(guān)的最大電流。在圖6中，給出了VDC = 800V且RS =33Ω時(shí)的關(guān)斷和開(kāi)通行為。為了檢查分流電阻RS的每個(gè)值對(duì)應(yīng)的限流值，逐步增大負(fù)載電流。在圖6（a）中，以PWM輸入信號(hào)作為觸發(fā)源（t = 0 μs），并保持不變以便更好地比較。藍(lán)色線表示不帶SSD時(shí)的正常開(kāi)關(guān)行為。如果電流稍微增大，驅(qū)動(dòng)器便開(kāi)始檢測(cè)到約為1400A的過(guò)流設(shè)定值，并啟動(dòng)SSD。因此，綠色線相對(duì)于最初的藍(lán)色線會(huì)轉(zhuǎn)移到左側(cè)。

　　【圖5：不帶SSD功能時(shí)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)的波形】

　　此時(shí)，門(mén)極電壓vGS開(kāi)始表現(xiàn)出軟關(guān)斷行為，這在+15V電平和米勒平臺(tái)之間的斜率減小中表現(xiàn)的非常明顯。檢測(cè)電路檢測(cè)到的更大的電流可導(dǎo)致如紅色線所示的行為。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)在原始關(guān)斷信號(hào)（t = 0 μs）之前1.5 μs自行關(guān)斷。同時(shí)，SSD-MOSFET以非常慢的速度對(duì)門(mén)極放電。需要使用有源鉗位功能來(lái)使過(guò)壓保持在期望的1000V限值范圍之內(nèi)。然而，如果減慢SSD

　　MOSFET的行為，可以省去有源鉗位功能。

　　在圖6（b）中，驅(qū)動(dòng)器正常導(dǎo)通，但接近于設(shè)定的限值。藍(lán)色線顯示的是不帶SSD功能的正常行為，而綠色線顯示的行為是，由于在約2.5 μs時(shí)已達(dá)到過(guò)流限值，驅(qū)動(dòng)器自行中斷導(dǎo)通指令。這表明，SSD功能獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)器邏輯狀態(tài)進(jìn)行工作，始終會(huì)在過(guò)載情況下對(duì)SiC

　　MOSFET提供保護(hù)。

　　過(guò)流檢測(cè)可通過(guò)選擇分流電阻RS進(jìn)行設(shè)定。圖7（a）的波形顯示了最終的最大電流與RS成函數(shù)關(guān)系。在波形中，t = 0 μs時(shí)的點(diǎn)依然是PWM輸入信號(hào)的觸發(fā)點(diǎn)。對(duì)漏極電流波形最大值iS的評(píng)估生成了25°C下的IS，max

　　= f （RS）圖。與文獻(xiàn)［4］相比，在這里SSD電路的響應(yīng)時(shí)間已包含在內(nèi)。對(duì)于大于56Ω的電阻值，檢測(cè)電路的信噪比會(huì)變得非常小。因此，SiC-模塊可能無(wú)法再開(kāi)關(guān)，因?yàn)槊總€(gè)噪聲都會(huì)被檢測(cè)為過(guò)流。

　　【圖6：帶SSD時(shí)的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)波形，VDC= 800V且RS = 33Ω】

　　【圖7：SSD的行為】

　　通過(guò)短金屬連接實(shí)現(xiàn)的硬短路（類(lèi)型I）開(kāi)關(guān)可形成如圖7（b）所示的波形。此時(shí)的分壓電阻值為33Ω。在被過(guò)流檢測(cè)電路成功關(guān)斷之前，電流會(huì)增大至約6 kA的最大值?？偠搪窌r(shí)間［1］為1.2

　　μs，因此小于2 μs限值。在源極電流處于負(fù)斜率期間，有源鉗位電路通過(guò)使SiC-MOSFET的門(mén)極處于有源區(qū)，為其提供額外的過(guò)壓保護(hù)。經(jīng)過(guò)t = 2μs后，吸收電容會(huì)產(chǎn)生輕微的振蕩，此時(shí)會(huì)與直流母線主電容交換能量。輸入PWM信號(hào)VPWM顯示驅(qū)動(dòng)器會(huì)忽略上級(jí)控制的5us開(kāi)關(guān)指令，以便保護(hù)SiC-MOSFET。

　　4、結(jié)論

　　本文所述的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)可通過(guò)過(guò)流/短路檢測(cè)以及帶有源鉗位的關(guān)斷和過(guò)壓保護(hù)等功能，對(duì)SiC-MOSFET模塊FMF800DX-24A提供全面的控制。因此，F(xiàn)MF800DX-24A可在幾乎任何電氣條件下進(jìn)行安全操作。本文還提供了室溫下雙脈沖測(cè)試的測(cè)量結(jié)果。推薦的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器將會(huì)用于Power Integrations即將推出的參考設(shè)計(jì)RDHP-1417。