由于其極低的開關(guān)損耗，碳化硅 (SiC) MOSFET 為最大限度地提高功率轉(zhuǎn)換器的效率提供了廣闊的前景。然而，在確定這些設(shè)備是否是實際電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的實用解決方案時，它們的短路魯棒性長期以來一直是討論的話題。

由于相對較小的芯片尺寸，更高的短路電流密度和更小的熱容意味著 SiC MOSFET 的短路耐受時間比類似額定值的硅 IGBT 短。幸運(yùn)的是，最近對 1200 V、80 mΩ SiC MOSFET的一項研究表明，支持更快響應(yīng)時間的正確柵極驅(qū)動設(shè)計可以保護(hù) SiC MOSFET 免受短路損壞。本研究將討論 1200 V、80 mΩ SiC MOSFET 的短路能力。展示和解釋了在各種操作條件下執(zhí)行的破壞性測試收集的結(jié)果，以及從應(yīng)用和設(shè)備角度進(jìn)行的設(shè)計權(quán)衡。此外，本研究的另一部分比較了各種具有去飽和保護(hù)功能的現(xiàn)成柵極驅(qū)動 IC 的性能。

SiC MOSFET 結(jié)構(gòu)和短路能力

比較額定電流相似的 Si IGBT 和 SiC MOSFET 時，SiC MOSFET 在短路條件下的電流密度高 5-10 倍。更高的瞬時功率密度和更小的熱容導(dǎo)致更快的溫升和更低的短路耐受時間。MOSFET 飽和電流主要由溝道區(qū)的設(shè)計控制。雖然較短的溝道和較高的導(dǎo)通柵極電壓對于降低導(dǎo)通電阻是可取的，但它們也會增加飽和電流并減少短路耐受時間。導(dǎo)通電阻和短路電流之間的這種權(quán)衡是 SiC MOSFET 設(shè)計中固有的，最好通過設(shè)計響應(yīng)時間比傳統(tǒng) IGBT 柵極驅(qū)動更快的柵極驅(qū)動來解決。

圖 1a：短路測試電路原理圖。

破壞性短路測試結(jié)果

測試電路（圖 1a 和 1b）旨在評估 1200 V、80 mΩ SiC MOSFET（Littelfuse LSIC1MO120E0080）（圖 2）在各種工作條件下的短路能力。高帶寬、高電壓無源探頭用于測量漏源 (V DS ) 和柵源 (V GS ) 電壓；Rogowski 線圈用于器件電流 (I DS ) 測量。

圖 1b：短路測試設(shè)置。一個丙烯酸外殼圍繞著測試裝置，以在發(fā)生災(zāi)難性的設(shè)備故障/爆炸時保護(hù)設(shè)備和實驗者。

圖 2：本次評估的被測器件是 Littelfuse LSIC1MO120E0080 系列增強(qiáng)型 1200 V、80 mOhm N 溝道 SiC MOSFET

圖 3 顯示了 10 個樣品在室溫下 600 V 漏極電壓和 20 V 柵極電壓的短路測試結(jié)果。圖 4 和圖 5 顯示了破壞性故障的短路耐受時間和臨界能量結(jié)果。器件的結(jié)果分布緊密，短路電流約為 250 A，所有器件的短路耐受時間都大于 7 μs。

圖 3：不同設(shè)備的短路測試結(jié)果

圖 4：600 V DC 漏極電壓下的耐受時間 圖 5：600 V DC 漏極電壓下的臨界能量

圖6所示為20V柵極電壓下200V~800V各種漏極電壓下的短路測試結(jié)果。雖然峰值電流相似，但在所有條件下250A左右，短路耐受時間從20多200 V 漏極電壓為 μs，800 V 為 3.6 μs。隨著直流總線電壓的增加，瞬時功耗也顯著增加。因此，溫升更快，導(dǎo)致短路耐受時間更低。

圖 7 顯示了柵極電壓為 15 V 和 20 V 且漏極電壓為 600 V 的測試結(jié)果。這些結(jié)果表明峰值電流強(qiáng)烈依賴于柵極電壓，從 20 V 柵極電壓下的 250 A 降低到 100 A 15 V 柵極電壓，支持設(shè)計權(quán)衡理論，關(guān)于驅(qū)動電壓/導(dǎo)通電阻/短路峰值電流和耐受時間關(guān)系，本文前面已討論過。已研究但證明對器件的短路耐受時間沒有明顯影響的其他因素是器件的外柵極電阻和環(huán)境溫度。

圖 6：不同直流漏極電壓下的短路

圖 7：不同柵極驅(qū)動電壓下的短路

通過柵極驅(qū)動器 IC 去飽和保護(hù)進(jìn)行短路保護(hù)

保護(hù) SiC MOSFET 免于短路故障需要柵極驅(qū)動器檢測過流情況并在其耐受時間內(nèi)關(guān)閉 MOSFET。為 Si IGBT 器件開發(fā)的幾種現(xiàn)成驅(qū)動器 IC 提供集成的去飽和 (de-sat) 保護(hù)功能，可在導(dǎo)通狀態(tài)期間監(jiān)控 V DS并在發(fā)生過流事件時關(guān)閉器件。如果驅(qū)動器 IC 響應(yīng)速度足夠快，則相同的驅(qū)動器 IC 可用于 SiC MOSFET 的短路保護(hù)。

圖 8 顯示了用于通過各種驅(qū)動器 IC 實現(xiàn)去飽和功能的電路。快速動作 Si 二極管 (D D )在關(guān)斷狀態(tài)下阻止 V DS，齊納二極管 (D C ) 在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間保護(hù) de-sat 引腳，電容器 (C B) 控制消隱時間以避免在開關(guān)瞬態(tài)期間誤觸發(fā)。圖 9 顯示了具有去飽和保護(hù)使能 IC 的短路事件波形。由于 SiC MOSFET 的快速開關(guān)速度和所需的優(yōu)化功率回路布局，器件電壓和電流在瞬態(tài)事件后達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時間比 IGBT 短得多。因此，基于 SiC 的設(shè)計中使用的驅(qū)動器 IC 的去飽和功能所需的消隱時間也應(yīng)該更短。為了保護(hù) SiC MOSFET，通常選擇小于 100 pF的 C B并且消隱時間可以短至 200 ns，以減少驅(qū)動器 IC 的總響應(yīng)時間。

圖 8：去飽和實施

圖 9：去飽和保護(hù)瞬態(tài)

表 1 比較了具有 33 pF 消隱電容器的不同驅(qū)動器 IC 的性能。結(jié)果表明，每個 IC 都可以在 1–4 μs 內(nèi)在擊穿期間保護(hù) SiC MOSFET。它們中的每一個還具有“軟關(guān)斷”功能，可在短路條件下緩慢關(guān)斷器件，以保護(hù) MOSFET 和驅(qū)動 IC。

表 1：商用驅(qū)動器 IC 評估

半橋配置中的短路保護(hù)

最后，具有最長響應(yīng)時間的 SiC MOSFET 和柵極驅(qū)動器 IC 在短路條件下在單器件和半橋配置中一起進(jìn)行了測試。圖 9a 和 9b 顯示了具有 800 V DC 總線電壓的擊穿瞬變期間的測試波形。在半橋配置中，頂部器件在整個瞬態(tài)期間保持開啟，底部器件由具有去飽和功能的柵極驅(qū)動器驅(qū)動。

圖 10a：單個設(shè)備的擊穿保護(hù)

圖 10b：半橋配置中的擊穿保護(hù)

圖 10 中的結(jié)果表明，在兩種情況下都可以安全關(guān)閉 SiC MOSFET。結(jié)果還表明，在半橋配置中，直流母線電壓由兩個設(shè)備共享，每個設(shè)備的實際電壓遠(yuǎn)低于直流母線電壓，這為保護(hù)電路的反應(yīng)時間提供了更多的裕度。如果底部和頂部器件都具有擊穿保護(hù)功能，則任一器件都可以保護(hù)整個電路。

概括

本文介紹了 1200 V SiC MOSFET 的短路能力和使用現(xiàn)成驅(qū)動器 IC 的過流保護(hù)解決方案。討論了幾個設(shè)計注意事項，以確保準(zhǔn)確的測量。測試結(jié)果表明，SiC MOSFET 的短路能力與漏極電壓和柵極電壓高度相關(guān)，但對外殼溫度和開關(guān)速度不敏感。通過降低柵極驅(qū)動電壓或降低總線電壓可以實現(xiàn)更長的耐受時間，但這些解決方案會降低 SiC MOSFET 的性能。

更好的解決方案是實施過流保護(hù)以檢測設(shè)備過流并安全關(guān)閉設(shè)備。具有去飽和保護(hù)的商用IGBT驅(qū)動器可以有效保護(hù)SiC MOSFET，但需要優(yōu)化電路以確保去飽和保護(hù)的總響應(yīng)時間足夠短以保護(hù)SiC MOSFET。比較了各種具有去飽和保護(hù)功能的現(xiàn)成柵極驅(qū)動 IC 的性能，并展示了可以在真實短路條件下保護(hù) 1200V SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動設(shè)計。

審核編輯：湯梓紅