SiC MOSFET的短路特性及保护

SiC MOSFET的短路保护

1.短路故障是导致SiC MOSFET失效的重要原因之一，尽管SiC MOSFET具有较好的导热性能，但与Si器件和SiC MOSFET的短路性能相比，SiC MOSFET的短路保护在以下几个方面更具挑战性。
（1）首先，在相同额定电流容量下，SiC MOSFET芯片面积小，电流密度高，这就导致SiC MOSFET短路承受能力较弱；
（2）其次，在短路工况下，SiC MOSFET较弱的界面质量会带来栅极氧化层可靠性问题，由于SiC MOSFET需要更高的正向栅极偏压，栅电场的增高会进一步加剧短路时栅极氧化层退化问题；
（3）为了确保SiC MOSFET可靠运行在安全工作区内，其较弱的短路承受能力就要求短路保护电路具有更快地响应速度。然而，与Si器件相比，SiC MOSFET 的结电容更小、开关速度更高。SiC MOSFET独特的正温度系数跨导导致其开通时的dI/dt和dV/dt 随着结温的升高均增大。在较高的dI/dt和dV/dt 条件下，SiC MOSFET 短路保护电路的快速响应与抗噪声能力难以兼顾。
2.短路故障类型

由于短路回路电感较小，一类短路故障电流上升快，对器件危害大，保护难度较高。

3.短路测试方法
两种常见的短路测试方法

（1）基于双脉冲测试的短路测试方法。该方法使用“粗短铜排”代替双脉冲测试电路中的负载电感来模拟短路。

当脉冲发生器向驱动器 1 发送高电平信号时，打开上桥臂 SiC MOSFET，再向驱动器 2 发送高电平信号，就可以实现 HSF；
当脉冲发生器向驱动器 2 发送一个信号使待测 SiC MOSFET 正常开启时，再向短路控制开关 S 1 发送闭合信号使故障电感 LFault 接入功率回路，就可以实现FUL。
（2）基于非线性元件的无损短路测试方法。

不同的 SiC MOSFET 短路测试方法如图所示。该方法是在被测 SiC MOSFET的短路回路中串入非线性元件，如图所示。非线性元件在额定电流时内阻较低，与SiC MOSFET 相比饱和电流更小。当脉冲发生器通过驱动器1开启该非线性元件时，再通过驱动器2开启待测器件就可以模拟HSF。当短路电流达到该元件的饱和电流时，短路电流就会被限制。当短路电流持续增大时，该元件就会“熔断”。

4.短路失效模式
目前，SiC MOSFET的短路失效模型主要有栅源级失效和热逃逸失效；

栅源级失效：

热逃逸失效

通过两种失效模式的现象和成因不难看出，短路能量较低时可能会导致SiC MOSFET栅源极失效，而短路能量较高时可能会使 SiC MOSFET发生热逃逸失效。SiC MOSFET 栅-源极失效时不一定会发生热逃逸失效，但是热逃逸失效发生时必定伴随有栅-源极失效。

5.短路保护技术
（1）退保和检测
退饱和检测原理简单、成本低，广泛应用于绝缘栅双极型晶体管（ Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）短路保护中，但在SiC MOSFET的短路保护中采用该方法存在巨大挑战，二极管式退饱和检测如图所示。

图为二极管式退饱和检测电路。在SiC MOSFET导通时，当A 点电压 VA 上升超过阈值 Vth1
时，比较器翻转发出故障信号关断器件。在SiC MOSFET 关断时，晶体管 VT1导通将A点电压下拉至低电平，检测电路被屏蔽。
该检测电路工作原理如图所示

PWM为高时， SiC MOSFET 开始导通，在完全导通前，由于 SiC MOSFET漏极电压值较高，二极（ VDS1, …）反向截止，VCC通过 Rblk 对 Cblk 充电，A点电压升高。在SiC MOSFET 完全导通之前，需要预留足够的盲区时间Tbl防止检测电路误触发。当SiC MOSFET发生短路退出“饱和” 状态时，VA将上升超过阈值 Vth1 导致比较器翻转。
在SiC MOSFET 完全开通后， A点电压 VA 的大小可以表示为

式中， VD为二极管正向导通压降。
可以看出 A点电位由 SiC MOSFET导通压降以及二极管的压降决定。然而，在中大功率 SiC MOSFET 应用中， SiC MOSFET 导通压降较高，然而较高的母线电压就需要多个二极管串联来提高反向击穿耐压，这就导致 A点电位升高很可能触及阈值 Vth1，进而引起检测电路误触发。

此外，SiC MOSFET开通瞬间漏-源极电压振荡也增加了检测电路误触发的风险。
（2）寄生电感电压检测
SiC MOSFET 模块功率源极和辅助源极之间存在寄生电感，电流的变化会在寄生电感上感应出一个电压值。由于短路时SiC MOSFET电流变化率 dID/dt 较大，因此可以通过检测感应电压值来检测短路故障，最典型的方法就是 dI/dt 检测，如图所示。图为 dI/dt 检测技术的工作原理，在正常开通过程中，快速上升的电流在LSS上感应出一个负向电压 VSS，该电压值与电流变化率成正比。
当发生短路故障时，ID迅速上升，负向 VSS 触发保护阈值 Vth3，短路器件被关断。 dI/dt 检测时间短、易于集成在驱动芯片中，但对寄生电感引起的噪声特别敏感。此外，由于 SiC MOSFET 开通时较高的dID/dt 会感应出较大的负向VSS，也可能触发阈值Vth3 导致保护电路误触发。

（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。
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。

（6）短路检测方法比较

6.短路关断策略
（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，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。

7.SiC MOSFET和Si IGBT输出特性曲线

8.SiC MOSFET串联短路特性

在负载电流为0 A时，SiC MOSFET 出现均压现象，而Si IGBT有一个器件承受较大电压。
SiC MOSFET均压较为明显，T1，T2的短路损耗相差较小。Si IGBT始终由T2承担较大电压，损耗较大。短路损耗随着短路电流的下降而降低，与Si IGBT相比，SiC MOSFET每个器件的损耗较小，每个器件承受的短路冲击较低。

参考文献：
【1】SiC_MOSFET短路保护技术综述_文阳
【2】SiC_MOSFET功率模块的并联均流研究_黄轶愚

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