評估1200V SiC MOSFET在短路條件下的穩(wěn)健性

由于其極低的開關損耗，碳化硅 (SiC) MOSFET 為最大限度地提高功率轉換器的效率提供了廣闊的前景。然而，在確定這些設備是否是實際電源轉換應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。幸運的是，最近對 1200 V、80 mΩ SiC MOSFET的一項研究表明，支持更快響應時間的正確柵極驅動設計可以保護 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果，以及從應用和設備角度進行的設計權衡。此外，本研究的另一部分比較了各種具有去飽和保護功能的現(xiàn)成柵極驅動 IC 的性能。

SiC MOSFET 結構和短路能力

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)的設計控制。雖然較短的溝道和較高的導通柵極電壓對于降低導通電阻是可取的，但它們也會增加飽和電流并減少短路耐受時間。導通電阻和短路電流之間的這種權衡是 SiC MOSFET 設計中固有的，最好通過設計響應時間比傳統(tǒng) IGBT 柵極驅動更快的柵極驅動來解決。

圖 1a：短路測試電路原理圖。

破壞性短路測試結果

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：短路測試設置。一個丙烯酸外殼圍繞著測試裝置，以在發(fā)生災難性的設備故障/爆炸時保護設備和實驗者。

圖 2：本次評估的被測器件是 Littelfuse LSIC1MO120E0080 系列增強型 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果。器件的結果分布緊密，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：不同設備的短路測試結果

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 的測試結果。這些結果表明峰值電流強烈依賴于柵極電壓，從 20 V 柵極電壓下的 250 A 降低到 100 A 15 V 柵極電壓，支持設計權衡理論，關于驅動電壓/導通電阻/短路峰值電流和耐受時間關系，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：不同柵極驅動電壓下的短路

通過柵極驅動器 IC 去飽和保護進行短路保護

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

圖 8 顯示了用于通過各種驅動器 IC 實現(xiàn)去飽和功能的電路?？焖賱幼?Si 二極管 (D D )在關斷狀態(tài)下阻止 V DS，齊納二極管 (D C ) 在開關轉換期間保護 de-sat 引腳，電容器 (C B) 控制消隱時間以避免在開關瞬態(tài)期間誤觸發(fā)。圖 9 顯示了具有去飽和保護使能 IC 的短路事件波形。由于 SiC MOSFET 的快速開關速度和所需的優(yōu)化功率回路布局，器件電壓和電流在瞬態(tài)事件后達到穩(wěn)態(tài)所需的時間比 IGBT 短得多。因此，基于 SiC 的設計中使用的驅動器 IC 的去飽和功能所需的消隱時間也應該更短。為了保護 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，以減少驅動器 IC 的總響應時間。

圖 8：去飽和實施

圖 9：去飽和保護瞬態(tài)

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

表 1：商用驅動器 IC 評估

半橋配置中的短路保護

最后，具有最長響應時間的 SiC MOSFET 和柵極驅動器 IC 在短路條件下在單器件和半橋配置中一起進行了測試。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動器驅動。

圖 10a：單個設備的擊穿保護

圖 10b：半橋配置中的擊穿保護

圖 10 中的結果表明，在兩種情況下都可以安全關閉 SiC MOSFET。結果還表明，在半橋配置中，直流母線電壓由兩個設備共享，每個設備的實際電壓遠低于直流母線電壓，這為保護電路的反應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功能，則任一器件都可以保護整個電路。

概括

本文介紹了 1200 V SiC MOSFET 的短路能力和使用現(xiàn)成驅動器 IC 的過流保護解決方案。討論了幾個設計注意事項，以確保準確的測量。測試結果表明，SiC MOSFET 的短路能力與漏極電壓和柵極電壓高度相關，但對外殼溫度和開關速度不敏感。通過降低柵極驅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以檢測設備過流并安全關閉設備。具有去飽和保護的商用IGBT驅動器可以有效保護SiC MOSFET，但需要優(yōu)化電路以確保去飽和保護的總響應時間足夠短以保護SiC MOSFET。比較了各種具有去飽和保護功能的現(xiàn)成柵極驅動 IC 的性能，并展示了可以在真實短路條件下保護 1200V SiC MOSFET 的柵極驅動設計。

審核編輯：湯梓紅