碳化硅場效晶體管短路保護策略研究

朱 沁

上海電氣輸配電集團 上海 200042

1 研究背景

隨著電力電子設備要求的提高與功率半導體技術的快速發展,以碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導體正逐步實現市場化。與傳統硅材料相比,碳化硅材料阻斷電壓高,高頻特性好,導通電阻低,通態損耗小,在提高系統效率的同時有利于減小散熱器、電感等設備的體積,從而提高功率密度,滿足設備小型化、集成化的發展要求。在實際應用中,功率器件的可靠性問題,特別是短路問題不可忽視。與傳統絕緣柵雙極晶體管相比,碳化硅場效晶體管功率密度高,在短路條件下電流密度是前者的5～10倍。另一方面,碳化硅材料的溝道遷移率低,使導通碳化硅器件需更高的驅動電壓,由此導致碳化硅器件的短路電流遠高于同等級硅器件,且碳化硅器件的短路耐受時間更短。已有研究表明,在短路發生后的2～3μs時間內封鎖開通脈沖,才能對碳化硅器件實現有效保護,這對短路檢測和短路保護提出了更高的要求。

常見的短路保護方法有漏源電壓檢測法、電流傳感器電流檢測法、霍爾電流變化率檢測法、柵極電荷檢測法等。漏源電壓檢測法利用器件的輸出特性,通過漏源電壓有效反映漏極電流的大小,原理簡單,成本低,在目前的驅動器檢測中使用廣泛。但是,傳統的絕緣柵雙極晶體管驅動器漏源電壓檢測法存在短路響應時間較長、門極電阻值需要調節、門極鉗位不理想、短路電流過大等缺點,對功率密度高的碳化硅場效晶體管不具有通用性。對此,筆者對漏源電壓檢測保護電路進行分析,提出碳化硅場效晶體管短路保護策略。

2 傳統絕緣柵雙極晶體管短路保護策略

傳統絕緣柵雙極晶體管漏源電壓檢測保護電路如圖1所示。當絕緣柵雙極晶體管關斷時,場效晶體管T1導通,電流源1被場效晶體管T1旁路,電容Ca的電位被鉗在低位,比較器不翻轉。當絕緣柵雙極晶體管進入開通的過程中,場效晶體管T1截止,絕緣柵雙極晶體管進入飽和導通,電流源1通過檢測電阻Rm、二極管Dm、絕緣柵雙極晶體管形成回路,比較器不翻轉。當絕緣柵雙極晶體管出現短路時,絕緣柵雙極晶體管退出飽和區,漏源電壓快速升高至直流母線電壓,二極管Dm截止,電流源1向電容Ca充電,電容Ca的電位線性升高,達到閾值時比較器翻轉,驅動器發出短路故障信號。

圖1 傳統絕緣柵雙極晶體管漏源電壓檢測保護電路

傳統絕緣柵雙極晶體管短路保護策略有三個關鍵點。

(1) 關斷電壓尖峰。絕緣柵雙極晶體管在正常情況關斷時會產生一定的電壓尖峰,但數值不會太高。若在交流器過載或橋臂短路時關斷絕緣柵雙極晶體管,則產生的電壓尖峰會非常高,此時絕緣柵雙極晶體管容易因電壓尖峰而損壞。對此,常采用有源鉗位電路,如圖2所示。但是,這種有源鉗位電路有明顯的缺點。有源鉗位電路工作在絕緣柵雙極晶體管關斷的瞬間,此時絕緣柵雙極晶體管驅動器的最后一級三極管T3開通,有源鉗位二極管的一部分電流Iz流入門極電阻,另一部分電流Ic流入三極管T1。三極管T1的阻抗低,導致有源鉗位二極管Dz的電流增大,從而使短路電壓持續升高,鉗位效果不好。對于碳化硅場效晶體管而言,其開關速率比絕緣柵雙極晶體管更快,輸入電容更小,對系統中的雜散參數更為敏感,所以碳化硅場效晶體管短路時電壓尖峰更高,傳統有源鉗位電路抑制電壓尖峰的效果非常不明顯。

圖2 傳統絕緣柵雙極晶體管有源鉗位電路

(2) 短路電流。通常短路電流為正常工作電流的5～10倍,在短路關斷瞬間電流尖峰則更高。過高的電流尖峰容易造成絕緣柵雙極晶體管損壞,加之米勒效應,過高的電流尖峰容易引起絕緣柵雙極晶體管誤開通。碳化硅器件的輸入電容比同等級硅器件小,門極導通壓降比同等級硅器件低,米勒效應更加顯著。解決這一問題的通常方法是增加關斷電阻,但與此同時會帶來關斷延時與關斷損耗增加等問題。

(3) 短路響應時間。短路故障發生時,絕緣柵雙極晶體管出現退飽和現象,絕緣柵雙極晶體管的損耗會顯著增加。在不影響絕緣柵雙極晶體管性能的前提下,絕緣柵雙極晶體管所能承受短路大電流的時間非常短,只有10μs。碳化硅場效晶體管所能承受短路大電流的時間則更短,只有3μs左右,這就要求漏源電壓檢測保護電路更加靈敏,響應時間更短。

3 碳化硅場效晶體管短路保護策略

針對傳統絕緣柵雙極晶體管短路保護策略關斷電壓尖峰高、短路電流大、短路響應時間長等問題,筆者對漏源電壓檢測保護電路進行分析,提出碳化硅場效晶體管短路保護策略。傳統絕緣柵雙極晶體管短路保護策略短路電流分析如圖3所示。短路時,絕緣柵雙極晶體管進入退飽和區,此時有源鉗位二極管截止,短路檢測總電流Itvs共有三個分支:Iac3流向集電極檢測端ACL,與驅動器內部恒流源進行比較翻轉后,發出故障信號;Iac2通過門極二極管流向絕緣柵雙極晶體管的門極;Iac1通過門極二極管流向驅動器內的推挽三極管T2。

圖3 傳統絕緣柵雙極晶體管短路保護策略短路電流分析

由短路電流分析可知,基于傳統絕緣柵雙極晶體管短路保護策略,希望總短路電流Itvs盡可能由Iac3和Iac2組成,但是由于關斷時刻驅動器內部三極管T2開通時阻抗更低,大部分電流會經過關斷電阻Roff成為Iac1,這樣會導致兩個問題。第一,由于三極管T2旁路了大部分Iac1,總短路電流Itvs只有更大,才能使Iac3達到檢測電位點,這樣會增大短路總電流,延長檢測響應時間。第二,Iac1的分流使Iac2減小,進而使絕緣柵雙極晶體管的門極電壓降低,造成有源鉗位效果不明顯,關斷電壓尖峰得不到有效的抑制。

目前工程上采用的改進方法是增大關斷電阻Roff。這種方法雖然能夠在一定程度上提高有源鉗位電路的效率,抑制短路關斷電壓尖峰,但是關斷電阻增大與開關損耗低、開關速度快是相互矛盾的,而且增大關斷電阻還會增加關斷延時,因此很難滿足碳化硅器件極短的關斷時間要求。

筆者提出的碳化硅場效晶體管短路保護策略短路電流分析如圖4如示。保護策略為,當碳化硅場效晶體管短路時,驅動器內部推挽三極管T5發出用于調節的200 MHz高電平脈沖,直到碳化硅場效晶體管完全關斷為止。高電平脈沖的持續時間大約為500 ns。對短路電流進行具體分析:短路時,碳化硅場效晶體管進入退飽和區,此時有源鉗位二極管截止,短路檢測總電流Itvs分為三個分支Iac1、Iac2、Iac3;驅動器內部推挽三極管T5連續發出高電平脈沖,Iac3回路阻抗最低,短路電流主要流向漏源電壓檢測引腳;與此同時,高電平脈沖使碳化硅場效晶體管被部分打開,使關斷電壓尖峰得到抑制;Iac1與Iac3相比較小,可以忽略不計,即可忽略關斷電阻Roff對短路電壓、電流的影響。采用碳化硅場效晶體管短路保護策略,Iac3增大使短路響應時間縮短,實測短路響應時間最短可以達到1.8μs。與傳統絕緣柵雙極晶體管短路保護策略相比,碳化硅場效晶體管短路保護策略在短路響應時間、短路電流、關斷電壓尖峰等方面都有明顯優勢。

圖4 碳化硅場效晶體管短路保護策略短路電流分析

通過試驗證明,碳化硅場效晶體管短路保護策略對于電壓尖峰的抑制優于傳統絕緣柵雙極晶體管短路保護策略。以CAS300M12BM2碳化硅模塊為例,在直流母線電壓為800 V,門極開通電壓為15 V,關斷電壓為-5 V,開通關斷電阻為2.5 Ω,短路響應時間為1.8μs時,短路電流為2 520 A,母線電壓關斷值為959 V。將門極開通電壓升高至20 V,短路響應時間為2.445μs,此時短路電流為4 280 A,母線電壓關斷值為972 V。由此可見,采用碳化硅場效晶體管短路保護策略,短路電流即使增大為原來的2倍,母線電壓關斷值也不會有明顯升高,對關斷電壓尖峰的抑制作用明顯。

通過以上分析,碳化硅場效晶體管短路保護策略具有三方面優勢。

(1) 具有更好的關斷電壓尖峰抑制效果,門極電阻不會影響有源鉗位性能,提高了開關管的速率,并且降低了開關損耗。

(2) 在短路大電流條件下能夠快速關斷碳化硅場效晶體管,有效減小了米勒電流,從而削弱了米勒效應的影響。

(3) 最快可以在1.8μs內關斷碳化硅場效晶體管,相比傳統絕緣柵雙極晶體管短路保護策略,短路響應時間更短,并且更安全。

4 試驗驗證

采用所提出的碳化硅場效晶體管短路保護策略,選用SIC1182K芯片進行試驗,以驗證碳化硅場效晶體管短路保護策略的有效性。

SIC1182K芯片原理如圖5所示。

圖5 SIC1182K芯片原理

在碳化硅場效晶體管開通過渡階段及保持開通狀態時,門極電壓升高為高電平,檢測漏源電壓的引腳SNS表現為高阻態,漏源電壓的檢測功能被使能,此時可以對碳化硅場效晶體管的漏源電壓進行檢測。當漏源電壓檢測引腳SNS的電壓高于閾值0.4 V時,認定發生短路故障,驅動器內部的推挽三極管發出用于調節的200 MHz高電平脈沖,直到碳化硅場效晶體管完全關斷為止,時長約500 ns。在碳化硅場效晶體管關斷過渡階段及保持關斷狀態時,門極電壓降低至關斷低電平,檢測漏源電壓的引腳SNS表現為低阻抗,對漏源電壓進行檢測。當流入的電流達到535μA時,門極電壓會升高,將碳化硅場效晶體管鉗制在線性區,可以防止出現關斷電壓尖峰。

試驗現場如圖6所示,試驗短路拓撲結構如圖7所示,由羅戈夫斯基線圈測量碳化硅場效晶體管的輸出漏極電流。

圖6 試驗現場

圖7 試驗短路拓撲結構

系統母線電壓調節至800 V,碳化硅場效晶體管的正常電流為30 A,用短導線短路三極管Q2,驅動板上開通關斷電阻設置為15 Ω,此時對三極管Q1

發出一個時長為2.5μs的高電平脈沖。觀察門極電壓、漏源電壓檢測引腳信號、故障信號、短路電流。

試驗檢測界面如圖8所示,黃色通道為門極電壓,綠色通道為漏源電壓檢測引腳信號,藍色通道為故障信號,紅色通道為短路電流。

圖8 試驗檢測界面

對三極管Q1發出時長為2.5μs的高電平脈沖,門極電壓開通三極管Q1。漏源電壓檢測引腳為高阻態,漏源電壓的檢測功能被使能,可以對碳化硅場效晶體管的漏源電壓進行檢測。漏源電壓檢測引腳發現短路故障,短路電流達到200 A,檢測時間為1μs。驅動器內部的推挽三極管發出用于調節的200 MHz高電平脈沖,直到碳化硅場效晶體管完全關斷為止,時長約500 ns。

5 結束語

碳化硅場效晶體管是一種性能優異的高壓開關器件,但需要重視關斷電壓尖峰、短路電流等問題。傳統絕緣柵雙極晶體管短路保護策略不適用于碳化硅場效晶體管,對此,筆者提出了碳化硅場效晶體管短路保護策略,并通過試驗進行了驗證。