一種先進(jìn)的利用電流檢測(cè)端子實(shí)現(xiàn)的全SiC模塊過(guò)流和短路保護(hù)方法

本文介紹了一種先進(jìn)的利用電流檢測(cè)端子實(shí)現(xiàn)的全SiC模塊過(guò)流和短路保護(hù)方法。同時(shí)給出了采用新開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。新開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)器集成了過(guò)流保護(hù)、軟關(guān)斷和有源箝位等功能。

1. 引 言

全SiC模塊FMF800DX-24A (1200V/800A)主要應(yīng)用于高頻（開(kāi)關(guān)頻率30kHz~100kHz）、高效率或者高功率密度的場(chǎng)合。

相對(duì)于硅器件，全SiC模塊可以大幅減小開(kāi)關(guān)損耗。另一方面，通態(tài)損耗在保證短路能力的情況下做到最優(yōu)化。SiC MOSFET芯片的導(dǎo)通電阻與其短路耐量成反比例。圖1為SiC MOSFET芯片的導(dǎo)通電阻（RDS(on)）與其短路耐量(ESC)的折衷曲線。

圖1 SiC MOSFET芯片的導(dǎo)通電阻與其短路耐量的折衷曲線

因?yàn)镾iC MOSFET芯片的可承受短路耐量有限（數(shù)us），為了減少短路發(fā)生時(shí)的響應(yīng)時(shí)間和降低短路能量，采用獨(dú)立的電流檢測(cè)端子是個(gè)很好的選擇。這樣，SiC MOSFET芯片的導(dǎo)通電阻可以設(shè)計(jì)得比較小。同時(shí)，過(guò)流保護(hù)閾值可以任意調(diào)整，并能夠很容易被檢測(cè)到，且在驅(qū)動(dòng)電路中可采用合適的措施用于短路關(guān)斷。從而，短路電流值和短路能量都可以得到顯著降低。

2. 全SiC MOSFET 短路耐量

FMF800DX-24A內(nèi)部采用8片100A SiC MOSFET芯片并聯(lián)，其柵極閾值電壓VGS(th)的典型值為1V。對(duì)其短路耐量來(lái)說(shuō)，必須考慮VGS(th)的分布。圖2給出了FMF800DX-24A的短路阻值與VGS(th)的關(guān)系曲線。實(shí)際測(cè)量的最大可承受短路時(shí)間（圖2實(shí)線）為3~4us，最大短路能量是18.4J。而FMF800DX-24A規(guī)格書(shū)定義的最大可承受短路時(shí)間為tsc(max)=2us，在使用時(shí)不能超過(guò)此值。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的退飽和電壓檢測(cè)的方法，很難保證在如此短的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷FMF800DX-24A。因此，推薦使用模塊的電流檢測(cè)端子來(lái)設(shè)計(jì)更為先進(jìn)的短路保護(hù)措施。

圖2 FMF800DX-24A的短路耐量與VGS(th)的關(guān)系曲線（VDD=850V,Tj=150℃,VGS=+15V）

3. 先進(jìn)的過(guò)流和短路檢測(cè)方法

FMF800DX-24A所使用的100A/200V SiC MOSFET芯片金屬化源極上有一個(gè)隔離的區(qū)域，并且會(huì)連接到電流檢測(cè)端子。這樣，電流檢測(cè)端子的電流和主電路電流成一定比例。圖3給出了MOSFET芯片圖片及其簡(jiǎn)化等效電路。（左側(cè)為等效電路圖，右側(cè)為芯片照片。）

圖3集成電流檢測(cè)端子的SiC MOSFET芯片

圖3所示的檢測(cè)電阻RS上面的電壓VS可以用于過(guò)流檢測(cè)。檢測(cè)電阻流過(guò)的電流與主電路的比例關(guān)系1:61500。檢測(cè)電阻RS上面的電壓VS與結(jié)溫Tj的關(guān)系如圖4所示?？紤]電流關(guān)系和溫度影響后，便可選擇合適的檢測(cè)電阻RS來(lái)設(shè)置需要的過(guò)流保護(hù)閾值。

圖4漏極電流與檢測(cè)電壓之間的關(guān)系

4. FMF800DX-24A驅(qū)動(dòng)器保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

采用電流檢測(cè)并用于FMF800DX-24A的先進(jìn)保護(hù)方法是通過(guò)參考設(shè)計(jì)RDHP-1417來(lái)實(shí)現(xiàn)的(其采用驅(qū)動(dòng)核2SC0435T)[4][5]，并包括過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。內(nèi)部集成的有源箝位電路實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)，而過(guò)流保護(hù)則是通過(guò)設(shè)定檢測(cè)電壓來(lái)觸發(fā)門(mén)極驅(qū)動(dòng)的軟關(guān)斷功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所采用驅(qū)動(dòng)器的等效原理圖如圖5所示。

圖5驅(qū)動(dòng)器的照片（右）及其等效電路框圖（左）

5. 過(guò)壓保護(hù)

在大電流且較大di/dt關(guān)斷器件時(shí)，將導(dǎo)致其承受過(guò)大的電壓尖峰。如果器件工作在過(guò)流保護(hù)閾值以下時(shí)，建議驅(qū)動(dòng)器增加額外的措施來(lái)抑制關(guān)斷電壓尖峰，以保證其小于1200V。比較好的措施是采用集成dv/dt反饋的有源箝位電路（不會(huì)主動(dòng)關(guān)斷模塊，且不會(huì)產(chǎn)生故障信號(hào)）。

圖6所示為FMF800DX-24A在800A和1600A的關(guān)斷波形。通過(guò)波形可以看出，過(guò)壓保護(hù)將VDS電壓安全地限制在1200V以下。

圖6 FMF800DX-24A在額定電流和2倍額定電流下的關(guān)斷波形（VDD=850V,Tj=25℃）

6. 過(guò)流保護(hù)

所評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)器的過(guò)流保護(hù)閾值為2000A（2.5倍額定電流）。當(dāng)電流超過(guò)此值時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將主動(dòng)進(jìn)行軟關(guān)斷，并反饋故障信號(hào)給控制器。圖7給出了關(guān)斷電流略小于過(guò)流保護(hù)閾值時(shí)的波形，并與過(guò)電流時(shí)軟關(guān)斷的波形進(jìn)行對(duì)比。從中可以看出，軟關(guān)斷時(shí)功率模塊上并無(wú)明顯過(guò)電壓產(chǎn)生。

圖7過(guò)流保護(hù)及2.5倍額定電流關(guān)斷波形（VDD=850V,Tj=25℃）

7. 短路保護(hù)

在母線電壓VDD=850V和短路回路電感值LSC=170nH的條件下進(jìn)行短路測(cè)試，以驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)器的短路保護(hù)功能。圖8給出了相應(yīng)測(cè)試結(jié)果。當(dāng)電流大約為2000A時(shí)，檢測(cè)為過(guò)流并立即進(jìn)行軟關(guān)斷。短路時(shí)間大約為1us，而短路能量為0.65J。這兩次指標(biāo)均明顯低于模塊的上限值，小于器件的設(shè)計(jì)界限。通過(guò)采用軟關(guān)斷功能，短路時(shí)的電壓尖峰可以很好地控制在1000V以下。

圖8 FMF800DX-24A短路測(cè)試波形（VDD=850V,Tj=25℃）

8. 結(jié) 論

三菱電機(jī)為高效、超緊湊型變換器（數(shù)百kW）提供了一種可靠的新器件解決方案：FMF800DX-24A。針對(duì)此全SiC器件，PI公司開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)（RDHP-1417）。通過(guò)利用模塊的鏡像電流端子，能夠有效地進(jìn)行短路等情況下的過(guò)流保護(hù)。同時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器集成了有源電壓箝位和軟關(guān)斷功能，可以有效地抑制大電流關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰。