一種先進的利用電流檢測端子實現(xiàn)的全SiC模塊過流和短路保護方法

本文介紹了一種先進的利用電流檢測端子實現(xiàn)的全SiC模塊過流和短路保護方法。同時給出了采用新開發(fā)的驅(qū)動器進行測試的結(jié)果。新開發(fā)的驅(qū)動器集成了過流保護、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（開關(guān)頻率30kHz~100kHz）、高效率或者高功率密度的場合。

相對于硅器件，全SiC模塊可以大幅減小開關(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

因為SiC MOSFET芯片的可承受短路耐量有限（數(shù)us），為了減少短路發(fā)生時的響應(yīng)時間和降低短路能量，采用獨立的電流檢測端子是個很好的選擇。這樣，SiC MOSFET芯片的導(dǎo)通電阻可以設(shè)計得比較小。同時，過流保護閾值可以任意調(diào)整，并能夠很容易被檢測到，且在驅(qū)動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。對其短路耐量來說，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。實際測量的最大可承受短路時間（圖2實線）為3~4us，最大短路能量是18.4J。而FMF800DX-24A規(guī)格書定義的最大可承受短路時間為tsc(max)=2us，在使用時不能超過此值。當(dāng)短路發(fā)生時，如果采用傳統(tǒng)的退飽和電壓檢測的方法，很難保證在如此短的時間內(nèi)關(guān)斷FMF800DX-24A。因此，推薦使用模塊的電流檢測端子來設(shè)計更為先進的短路保護措施。

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. 先進的過流和短路檢測方法

FMF800DX-24A所使用的100A/200V SiC MOSFET芯片金屬化源極上有一個隔離的區(qū)域，并且會連接到電流檢測端子。這樣，電流檢測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集成電流檢測端子的SiC MOSFET芯片

圖3所示的檢測電阻RS上面的電壓VS可以用于過流檢測。檢測電阻流過的電流與主電路的比例關(guān)系1:61500。檢測電阻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電阻RS來設(shè)置需要的過流保護閾值。

圖4漏極電流與檢測電壓之間的關(guān)系

4. FMF800DX-24A驅(qū)動器保護功能的實現(xiàn)

采用電流檢測并用于FMF800DX-24A的先進保護方法是通過參考設(shè)計RDHP-1417來實現(xiàn)的(其采用驅(qū)動核2SC0435T)[4][5]，并包括過壓保護和過流保護。內(nèi)部集成的有源箝位電路實現(xiàn)過壓保護，而過流保護則是通過設(shè)定檢測電壓來觸發(fā)門極驅(qū)動的軟關(guān)斷功能來實現(xiàn)的。所采用驅(qū)動器的等效原理圖如圖5所示。

圖5驅(qū)動器的照片（右）及其等效電路框圖（左）

5. 過壓保護

在大電流且較大di/dt關(guān)斷器件時，將導(dǎo)致其承受過大的電壓尖峰。如果器件工作在過流保護閾值以下時，建議驅(qū)動器增加額外的措施來抑制關(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（不會主動關(guān)斷模塊，且不會產(chǎn)生故障信號）。

圖6所示為FMF800DX-24A在800A和1600A的關(guān)斷波形。通過波形可以看出，過壓保護將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. 過流保護

所評價驅(qū)動器的過流保護閾值為2000A（2.5倍額定電流）。當(dāng)電流超過此值時，驅(qū)動器將主動進行軟關(guān)斷，并反饋故障信號給控制器。圖7給出了關(guān)斷電流略小于過流保護閾值時的波形，并與過電流時軟關(guān)斷的波形進行對比。從中可以看出，軟關(guān)斷時功率模塊上并無明顯過電壓產(chǎn)生。

圖7過流保護及2.5倍額定電流關(guān)斷波形（VDD=850V,Tj=25℃）

7. 短路保護

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

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

8. 結(jié) 論

三菱電機為高效、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。針對此全SiC器件，PI公司開發(fā)了相應(yīng)的驅(qū)動器參考設(shè)計（RDHP-1417）。通過利用模塊的鏡像電流端子，能夠有效地進行短路等情況下的過流保護。同時，該驅(qū)動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)斷時的電壓尖峰。