SiC MOSFET 短路保护技术综述（下）

2022-05-24 11:32:10

3）电流传感器

电流传感器广泛应用在电力设备电流测量中，如霍尔器件、罗氏线圈等，其原理简单且可靠性高，功率回路和测量回路具备电气隔离，但带宽较低、体积较大，不适用于高频、高功率密度的 SiC MOSFET短路保护应用。为此，Wang Jun 等设计了一种适用于SiC MOSFET 模块短路保护的 PCB 型罗氏线圈，如图 10 所示。不仅方便安装，高达 200MHz 的带宽可以对 SiC MOSFET 模块漏极电流进行准确的采集，为 SiC MOSFET 模块短路保护提供可靠保障。

然而，为了提高测量宽带获得更加精确的漏极电流，在 PCB 型罗氏线圈设计中需要增加线圈匝数。但是由于 SiC MOSFET 应用在高频开关工况，增加 PCB线圈匝数会严重影响其抗扰动性能，可能导致短路保护电路误触发。此外，PCB 型罗氏线圈的信号还原电路实现较为复杂，严重阻碍了该方法的应用。

4）分流器检测

分流器检测通常在功率回路串入电阻、同轴分流器等线性元件来进行短路保护 。在 SiC MOSFET 的短路保护中通常采用精度更高、响应速度更快且可靠性较高的同轴分流器。但是随着功率回路电流的增加，同轴分流器所带来的功耗以及高昂的成本不容忽视。为了解决该缺陷，北卡罗来纳州立大学 B. J. Baliga 教授团队将 Si MOSFET 串入SiC MOSFET 回路作为“分流器”，基于 Si MOSFET 非线性特性的短路保护电路如图 11 所示，利用 Si MOSFET 漏极电压和漏极电流成正比的特性，将漏极电压作为 SiC MOSFET 短路检测的依据。此外，通过给 Si MOSFET 栅-源极施加不同的偏置电压，可以灵活调整其饱和电流来限制短路电流，防止 SiC MOSFET 短路损坏，但是 Si MOSFET 选型十分关键，在大电流应用场合，较高的损耗与成本使得该方法应用受到限制。

5）栅极电压检测

由于 HSF 发生时，SiC MOSFET 的栅极电荷值QG 远小于正常开通过程中栅极电荷值，导致 HSF发生时栅极电压 VGS 大于正常开通过程，栅极电压检测原理如图 12 所示，因此通过检测 SiC MOSFET开通过程中栅极电压可以间接检测 HSF。该方法优点是无检测盲区。然而，SiC MOSFET 的密勒电容较小，HSF 发生时栅极电压特征差异不明显，采用该方法容易造成保护电路误触发。其次，FUL时 SiC MOSFET 栅极电压已经为最大正向电压，因此该方法不能对 FUL 进行检测。

3.2 短路关断策略
当检测电路检测到短路故障后应快速关断 SiC MOSFET。然而，快速的关断势必会引起较高的关断过电压，导致 SiC MOSFET 因过电压而损坏。防止关断过电压的常用方法就是采用软关断技术，常见短路软关断技术有两种：
（1）大电阻关断。大电阻关断是在检测到短路后，利用大阻值栅电阻来减缓关断电流下降速率从而实现关断过电压的抑制。然而，大电阻关断在抑制关断过电压的同时也致使关断延迟时间增大，导致 SiC MOSFET 不能及时关断。为此，文献提出基于多级栅电阻的软关断策略，在关断过程中采用不同栅极电阻关断 SiC MOSFET 短路电流，从而兼顾了 SiC MOSFET 短路关断过电压与关断延迟时间，但大电阻关断可能导致 SiC MOSFET因关断损耗过大而发生失效。
（2）降栅压关断。降栅压关断是在检测到短路后，先缓慢降低栅极电压，使 SiC MOSFET 维持导通状态。在较低栅极电压下，SiC MOSFET 漏极电流会被限制在较低水平，经过一定延迟后，再采用负压关断短路电流。该方法通过缓降栅压抑制短路电流，从而降低短路关断过电压，但是该方法需要多种栅极电压，电路结构实现复杂。
4 结论
通过上述分析可知，SiC MOSFET 高速开关特性以及现有工艺技术导致其短路承受能力较弱，而现有短路保护技术普遍存在响应速度慢、易误触发、电路复杂以及成本高等缺点，这些问题严重威胁SiC MOSFET 的安全运行，阻碍 SiC MOSFET 的广泛应用。因此，未来的挑战与研究课题主要涉及以下几个方面：
1）SiC MOSFET 短路承受能力提升。栅极可靠性问题严重制约着 SiC MOSFET 为代表的宽禁带半导体器件短路承受能力。随着科学技术的发展，新的器件结构、新的制造工艺和新兴材料的研发将是提升其栅极可靠性、改善短路承受能力的关键所在。
2）SiC MOSFET 的短路检测技术。相比于IGBT，SiC MOSFET 开关速度更快，短路承受能力较弱，电磁干扰更严重。因此，现有短路检测方法已不能满足 SiC MOSFET 应用中短路检测的技术需求，研发适用于 SiC MOSFET 的快速、可靠短路检测技术将是未来研究方向之一。

3）SiC MOSFET 短路关断策略。SiC MOSFET短路承受能力弱，短路时需要快速关断短路电流，而较快的电流变化很可能导致 SiC MOSFET 因过电压击穿而损坏。传统短路软关断策略不能权衡关断损耗和关断过电压之间关系，很可能造成SiC MOSFET在软关断过程中发生热逃逸或栅极失效。因此，权衡关断损耗和过电压的 SiC MOSFET 短路关断策略也将是未来研究课题之一。

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