Driving a Silicon Carbide Power MOSFET with a fast Short Circuit Protection

Wang Heng, Zhao Jia, Sun Huibo, Zheng Ziqing

（原文發表在IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications in Asia 2018，以下內容為部分節選中文翻譯版）

摘要：SiC功率MOSFET由于其出色的物理特性，在充電樁及太陽能逆變器等高頻應用中日益得到重視。因為SiC MOSFET開關頻率高達幾百K赫茲，門極驅動的設計在應用中就變得格外關鍵。因為在短路過程中SiC MOSFET的高短路電流會產生極高的熱量，因此SiC MOSFET需要快速的短路檢測與保護。同時，電流關斷速率也需要控制在一定范圍內，防止關斷時產生過高的電壓尖峰。這篇文章探討了幾種能夠實現快速短路保護的方法，并且通過實際測試驗證了可行性。

SiC MOSFET短路特性

功率器件有多種不同的短路模式，其中最嚴重的一種是橋臂短路，在這種短路模式下，電流迅速上升，同時器件承受母線電壓。我們需要首先對這種短路模式下的MOSFET的行為進行研究。

短路測試平臺如圖1所示。測試驅動板由英飛凌專為單管SiC MOSFET研發。待測器件為TO-247 4pin封裝的IMZ120R045M1。測試在室溫下進行。

圖1 SiC功率MOSFET短路特性測試平臺及測試線路

圖2 為400V和800V兩種母線電壓下，且門極電壓在12V,15V,18V情況下的短路電流波形。短路起始階段，漏極電流快速上升并且到達最高值，在門極電壓分別為12V和15V情況下，電流峰值分別為170A和270A。電流峰值過后，漏極電流開始顯著下降，門極電壓為12V和15V的情況下分別為130A和180A。這是因為載流子遷移率隨溫度的上升而下降，從而短路電流下降。測試波形證實了TO-247封裝的4pin CoolSiC™ MOSFET 在15V門極驅動電壓條件下，擁有至少3us的短路能力。短路脈沖結束后，可能發生兩種情況：1）被測器件安全關斷，漏極電流降至0A。2）短路期間積累的能量超出了器件極限，比如門極驅動電壓過高或者母線電壓過高，都可能引起熱失控，導致器件失效，如圖2(b)中綠線所示。這條曲線表示的是母線電壓800V，門極電壓為18V的情況下，在短路脈沖延長到4us時，器件發生失效。

圖2 IMZ120R045M1在不同門極電壓下的短路電流波形(a) Vdc=400V (b)Vdc=800V

從圖2中我們可以看出，短路電流與門極電壓成正相關，更高的門極電壓導致更高的短路電流，因此引起更高的結溫與更低的載流子遷移率。因此高門極電壓下的Id下降幅度會更大。

圖3顯示了IMZ120R045M1 在15V門極電壓，以及400V及800V母線電壓下的短路電流。從中可以看出，母線電壓對峰值電流影響很小。當芯片開始被加熱之后，800V母線電壓會產生更多的能量，導致芯片結溫高于400V母線電壓的情況，因此VDC=800時，漏極電流下降更快，峰值過后很快低于400V VDC。

圖3 IMZ120R045M1在不同母線電壓下的短路電流

SiC MOSFET 短路保護方法

目前有4種常用的短路檢測及保護方法，其原理示意圖如圖4所示。其中最直接的方式就是使用電流探頭或者分流電阻檢測漏極電流。業界最常用的方法是檢測飽和壓降。MOSFET正常導通時漏極電壓約為1~2V。短路發生時，短路電流會迅速上升至飽和值，漏極電壓也會上升至母線電壓。一旦測試到的Vds高于預設的參考值，被測器件會被認為進入短路狀態。

另一個典型的短路檢測解決方案是監測di/dt.  在高功率IGBT模塊中，開爾文發射極與功率發射極之間存在寄生電感。在開關操作中，變化的電流會在電感兩端產生電壓VeE。通過檢測這個電壓，即可以判斷器件是否進入短路狀態。

導通狀態下，Vds檢測需要一定的消隱時間防止誤觸發。另外，基于di/dt的檢測方式依賴于寄生電感LeE的值。除此之外，短路檢測還可以通過檢測門極電荷的特性來實現。短路發生時，門極波形不同于正常開關波形，不存在米勒平臺。這種方法不需要消隱時間，也不依賴LeE.

圖4 4種SiC MOSFET的短路檢測及保護方法

快速短路保護電路搭建及測試波形

a) 測試平臺搭建

SiC MOSFET 短路保護電路通過英飛凌Eicedriver 1ED020I12-F2實現。1ED020I12-F2采用無磁芯變壓器技術來隔離信號，短路保護通過退飽和檢測功能實現。1ED020I12-F2可以提供高達2A的輸出電流，因此可以直接驅動SiC MOSFET，無需推挽電路。

評估板通過隔離變壓器給高邊和低邊分別提供隔離電源。評估板上有吸收電容，用來抑制電壓過沖。待測器件通過一根短線纜實現橋臂短路，雜散電感預估為100nH.

為了實現快速保護，使用66pF的電容將消隱時間設定在約2us，觸發電平由driver IC內部設置并固定在9V。另外，一個2~3k?的電阻Rx也可以用來加速短路的識別速度，但本次測試中沒有使用。

圖5 基于IMW120R045M1 (TO-247-3pin)與1ED020I12-F2的短路測試平臺

b) 測試波形與結果

在測試波形中有4路信號，CH1是1ED020I12-F2 desat引腳處測得的電壓信號，CH2是由羅氏線圈PEM CWT-3B測得漏極電流。CH3與CH4分別為漏源電壓（Vds）與柵源電壓(Vgs)

測試波形如圖6所示。短路電流初始尖峰值達到250A。1ED020I12-F2’s DESAT引腳電壓在短路開始后呈線性上升，在大約2us時到達9V，然后驅動芯片開始關斷輸出，將驅動電壓下拉至負值，SiC MOSFET成功地在2.5us之內成功關斷。

圖6 基于IMW120R045M1 (TO-247-3pin)與1ED020I12-F2的短路測試波形

結論

在實際應用中，門極電壓對于驅動SiC MOSFET來說非常重要，盡管更高的驅動電壓可以帶來降低RDSON的好處，但是較高的門極電壓會帶來更高的短路電流。通過測試我們可以看到，對于IMZ120R045M1，在母線電壓800V，柵極電壓18V，短路脈沖4us的情況下，器件會出現短路失效。因此，出于導通特性與柵氧化層壽命及短路保護的折衷考慮，我們依然推薦15V的正驅動電壓。

SiC MOSFET 與IGBT相比短路耐受時間比較短。但是，選擇合適的驅動IC及外圍電路設置，SiC MOSFET依然能在短路時安全關斷，從而構建非常牢固與可靠的系統。

References

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