基于源极电感检测法的SiC MOSFET短路保护电路研究

李官军，卢乙，殷实，余豪杰，李先允，殷帆

（1.中国电力科学研究院有限公司，江苏南京 210003；2.南京工程学院电力工程学院，江苏南京 211167）

与传统的Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 凭借高工作温度、高开关频率和低导通损耗等优点，被广泛应用于如电机、逆变器、发电机等高压、高温和高工作频率场合，但是，SiC MOSFET的栅极氧化物厚度较小，这降低了SiC MOSFET的可靠性，减小了其短路耐受时间，现有研究表明，SiC MOSFET 的短路耐受时间仅为2～5 μs，这对SiC MOSFET 短路保护电路的响应时间和可靠性提出了更高的要求[1-3]。文献[4]基于vds检测法设计了一款SiC MOSFET 短路保护电路，同时采用电容和电阻消除vds检测法存在的消隐时间，但是SiC MOSFET 漏源极电压vds输出曲线会随着温度的变化而变化，因此vds检测法检测精度容易受到温度的影响。文献[5]基于栅极电压检测法设计了一款SiC MOSFET 短路保护电路，该保护电路不存在消隐时间，且能在1 μs 内完成保护动作，但是电路结构复杂且算法繁琐，不适宜推广使用。文献[6]基于PCB 罗氏线圈设计了一款SiC MOSFET 短路保护电路，能够在2 μs 内完成保护动作，且不存在消隐时间，但是罗氏线圈的测量精度很容易受电磁干扰。

针对上述问题，本文首先总结分析SiC MOSFET 短路故障特性，然后结合源极电感检测法设计一款SiC MOSFET 短路保护电路并简要分析其工作原理，最后搭建实验平台进行实验验证，实验结果表明，设计的SiC MOSFET 短路保护电路，结构简单，能够在器件发生硬开关短路故障和负载短路故障的1 μs 内快速完成保护动作，确保器件的安全运行。

1 SiC MOSFET短路特性

图1 所示为SiC MOSFET 短路特性测试电路原理图。图1 中，Vdc为母线直流电压，C 为滤波电容，L 为负载电感，Lloop为电路回路中寄生电感，Rstray为电路回路中杂散电阻。

图1 测试电路Fig.1 Test circuit

SiC MOSFET 短路故障主要分为两类：硬开关短路故障（hard switching fault，HSF）和负载短路故障（fault under load，FUL）。HSF 是指器件在导通之前就已处于短路回路中，即器件一导通就立刻发生短路故障；FUL 是指器件在正常工作状态下，负载发生短路故障。

图2、图3 所示为两种短路故障情况下SiC MOSFET 漏源极电压vds和漏极电流id波形。假设短路保护电路的动作时间为Δt，发生短路故障时漏极电流上升速率相同，从图2、图3 可以得出：器件发生负载短路故障时，由于电路已正常工作一段时间，器件中已流过较大电流，因此短路电流峰值要远大于硬开关短路故障电流峰值，但是硬开关短路故障的器件损耗要远大于负载短路故障，因此两种故障都需要快速的短路保护电路，以确保器件发生短路故障时不会损坏[7-8]。

图2 HSF情况下电压、电流波形Fig.2 Voltage and current waveforms in the case of HSF

图3 FUL情况下电压、电流波形Fig.3 Voltage and current waveforms in the case of FUL

以SiC MOSFET 硬开关短路故障为例，介绍器件的短路特性，由图2 可以看出，SiC MOSFET的硬开关短路故障可以分为3个阶段[9-10]。

阶段1[t1—t2]：t1时刻之前，SiC MOSFET 处于关断状态，t1时刻器件导通并立刻发生短路故障，由于电路回路中阻抗较小，器件漏极电流id迅速上升，同时漏极电流id会在电路寄生电感Lloop和杂散电阻Rstray上产生压降，使得器件漏源极电压vds缓慢上升，该阶段内，器件结点温度逐渐上升。

阶段2[t2—t3]：SiC MOSFET 结点温度继续上升，如图4所示，器件导通电阻阻值随着结点温度的上升而增加，随着器件导通电阻阻值的增加，漏极电流id的上升速率降低。

图4 导通电阻与结点温度的关系Fig.4 Relationship between on-resistance and junction temperature

阶段3[t3—∞]：t3时刻，器件关断，漏极电流id逐渐下降并减小至零，器件漏源极电压vds上升至母线直流电压Vdc。

2 过流保护电路设计

目前SiC MOSFET 短路保护电路中所选用的检测方法主要有：分流器检测法、门极电压检测法、vds检测法、罗氏线圈检测法和源极电感检测法，表1汇总了各种检测方法的优缺点[6-7]。

表1 各检测方法优缺点Tab.1 Advantages and disadvantages of detection methods

为了确保短路保护电路的快速响应性和可靠性，本文基于源极电感检测法设计保护电路，图5 为本文设计的SiC MOSFET 短路保护电路原理图，主要包括驱动电路、采样电路和脉冲产生电路三个部分。

图5 保护电路原理图Fig.5 Protection circuit schematic

1）驱动电路：由开关管Q1，Q2和驱动电阻RG组成，开关管Q1，Q2构成图腾柱结构，用于产生SiC MOSFET 开关所需的驱动电压，也可用专用驱动芯片替代。

2）采样电路：由电感LS、电阻R1～R5、二极管D1、钳位二极管D2和电容C1组成，电感LS串联于SiC MOSFET 器件源极，采样电路并联于LS两端，其中电阻R2和钳位二极管D2组成电压钳位电路，以防止采样电压值过大损坏逻辑芯片，采样电压经电阻R3，R4分压后，通过电阻R5对电容C1进行充电，电容C1同时起到滤波的作用。本文中选取LS=20 nH，R1=R2=510 Ω，R3=10 kΩ，R4=50 kΩ，R5=1 kΩ，C1=10 pF。

3）脉冲产生电路：由电压比较器、D型触发器和“与”逻辑门组成，采样电压通过电阻R5对电容C1进行充电，当C1中电压超过参考电压Vref时，电压比较器发出高电平，此时D 型触发器CLK 端接收脉冲由低电平转为高电平，因此Q—输出端的输出脉冲由高电平转为低电平并保持不变，“与”逻辑门输出被锁定为低电平，并将SiC MOSFET 栅极电压强制拉至低电平以关断器件。

表2 总结了电路中各器件和RC 电路所引起的延时。

表2 电路延时Tab.2 Delay of the circuit

3 实验验证

采用图6所示测试电路对所设计的SiC MOSFET 短路保护电路进行实验验证，为了防止实验过程中SiC MOSFET 短路损坏，在电路回路中增加小阻值电阻Rpro。

图6 测试电路Fig.6 Test circuit

根据图6 所示测试电路原理图搭建图7 所示实验平台。

图7 实验平台Fig.7 Experimental platform

图7中，示波器为Tektronix公司的DPO4054B，电压探头为TPP0500，P5205A 和THDP0200，电流探头为TCP0030A，触发脉冲信号由DSP 发出，SiC MOSFET采用CREE公司的C2M0040120D，其耐压为1 200 V，可持续工作电流为60 A，导通电阻为0.04 Ω。

为了测试所设计保护电路实际效果，进行两组实验，分别模拟SiC MOSFET 发生硬开关短路故障和负载短路故障，图8为两组实验上、下开关管触发脉冲波形。

图8 开关管触发脉冲Fig.8 Switching tube trigger pulse

图9、图10分别为实验1、实验2的测试波形。

通过图9、图10 可以得出：当SiC MOSFET 发生硬开关短路故障或负载短路故障时，器件漏极电流id迅速上升，所设计的短路保护电路能够在1 μs 内关断器件，完成保护动作，确保器件的安全运行。

图9 实验1测试波形Fig.9 Test waveforms of experiment 1

图10 实验2测试波形Fig.10 Test waveforms of experiment 2

4 结论

本文基于源极电感检测法设计一款SiC MOSFET短路保护电路并对其进行实验验证。实验结果表明，当SiC MOSFET 发生硬开关短路故障或负载短路故障时，所设计的短路保护电路均能在1 μs 内关断器件，完成保护动作，确保器件的安全可靠运行，同时，所设计的保护电路结构简单，能够应用于各种SiC MOSFET。