学术简报︱SiC MOSFET短路检测与保护研究综述

摘要

江苏省智能电网技术与装备重点实验室(东南大学)的研究人员吴海富、张建忠、赵进、张雅倩,在2019年第21期《电工技术学报》上撰文指出,随着宽禁带半导体器件的发展,SiC MOSFET被广泛应用于工业领域,其短路保护也越来越多地为人们所重视。

本文首先对SiC MOSFET的短路类型进行讨论,给出不同短路类型下的主要电路波形;然后本文对近年来SiC MOSFET短路检测与保护方法进行概述,详细介绍去饱和检测法、电感检测法、门极电压检测法以及基于罗氏线圈的短路检测法的原理,归纳总结各种检测方案的优缺点;最后提出一种降栅压短路保护电路,实现了SiC MOSFET在短路情况下的两级快速保护。

近年来SiC MOSFET凭借着耐压等级高、耐温高以及损耗低等特点被广泛应用于电机驱动、开关电源以及并网逆变器中。因此,国内外有许多学者致力于研究SiC MOSFET的驱动以及短路保护。

在驱动方面,有学者研究了SiC MOSFET的高频驱动,实现了开关频率MHz以上的突破。由于开关频率的提高,驱动损耗也成了驱动电路设计中的重点,为了减小驱动损耗,有学者提出了SiC MOSFET谐振门极驱动电路,利用LC谐振来回收储存在门极的功率。有学者着重研究SiC MOSFET高温驱动电路,实现了高温下SiC MOSFET的稳定驱动。

相对于SiC MOSFET的驱动技术,国内外学者在短路保护方面的研究相对较少。为了保证SiC MOSFET稳定可靠地运行,设计出性能优良的短路保护电路十分重要。与传统的硅IGBT和硅MOSFET相比,SiC MOSFET短路保护要求更为严格。硅IGBT的短路承受时间大约为10μs,而SiC MOSFET的短路承受时间为2~7μs,并且随着母线电压和温度的升高,SiC MOSFET短路承受时间也会下降。

有学者研究了不同线路寄生电感对SiC MOSFET短路电流的影响,结果表明随着杂散电感的增大,电路的短路电流会下降。有学者研究了不同温度和不同电压等级下SiC MOSFET短路能力,实验发现在高压与高温下SiC MOSFET短路承受能力降低。同时,有学者也研究了Rohm和Cree两家公司的SiC MOSFET短路特性,并且进行了对比分析。

针对SiC MOSFET短路保护,有学者给出了短路检测与保护方案,实现了短路故障下的快速保护。虽然许多文献都给出了相应的保护方案,但是这些保护方案之间都存在着一定的联系与区别,因此有必要对SiC MOSFET短路保护进行总结。

本文从SiC MOSFET的短路类型出发,首先分析SiC MOSFET两种短路类型(硬开关故障和负载短路故障),并且介绍这两种短路类型下电压与电流特征。然后,对近年来SiC MOSFET短路保护研究文献进行分析讨论,根据检测方式的不同,将短路检测分为四类:去饱和检测法、电感检测法、门极电压检测法和基于罗氏线圈的短路检测法。

同时本文也对短路故障下开关管的关断方式进行介绍,详细分析软关断的基本原理及必要性。最后本文在前人的基础上提出一种降栅压短路保护电路,并且通过Pspice仿真软件以及实验验证了方案的可行性。

图1  短路测试电路原理

图14  短路状态下的软关断电路原理

图18  短路测试硬件平台

结论

SiC MOSFET短路保护是SiC MOSFET驱动电路中重要的环节,决定了器件能否稳定可靠的运行。本文概述了SiC MOSFET的两种短路类型,并且给出了两种短路类型下VGS、VDS和ID的主要波形。

基于近年来一些文献对于SiC MOSFET短路保护的研究,并根据短路检测过程以及电路结构差异将SiC MOSFET短路检测归结为四类:去饱和检测法、电感检测法、门极电压检测法及基于罗氏线圈的短路检测法。

本文总结了SiC MOSFET短路情况下的关断方式,介绍了软关断的基本原理,并且提出了一种降栅压SiC MOSFET短路保护方案,通过仿真和实验验证了方案的可行性。

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