摘要

在光伏逆變器、車載充電器及牽引逆變器等應(yīng)用領(lǐng)域中，由第三代半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC）制成的SiC MOSFET正逐步替代由傳統(tǒng)硅基（Si）制成的Si IGBT。這是因?yàn)樘蓟瑁⊿iC）材料相比傳統(tǒng)硅（Si）材料具有更優(yōu)越的物理特性，使得SiC MOSFET在高功率、高頻率應(yīng)用中表現(xiàn)更優(yōu)，能顯著提升設(shè)備效率并實(shí)現(xiàn)輕量化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但SiCMOSFET和Si IGBT的器件特性存在差異——兩者在短路故障時(shí)的短路耐受能力不同，這對(duì)保護(hù)電路的響應(yīng)速度提出了更高要求。

本篇應(yīng)用筆記從SiC MOSFET的器件特性出發(fā)，分析其與Si IGBT在故障響應(yīng)上的本質(zhì)差異的原因，并提出針對(duì)性保護(hù)策略。最后結(jié)合納芯微自主研發(fā)的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，詳細(xì)闡述去飽和檢測(cè)的設(shè)計(jì)方法。

01SiC MOSFET短路特性介紹

在電力電子的許多應(yīng)用中，短路故障是常見的工況，這就要求功率器件具備短時(shí)耐受能力，即可以在一定的時(shí)間內(nèi)承受短路電流而不發(fā)生損壞。Si IGBT 通常的短路能力為5-10μs，而SiCMOSFET的短路耐受時(shí)間普遍較短（一般為2μs左右）。

Si IGBT與SiC MOSFET的短路能力的差異主要體現(xiàn)在以下兩方面：

1）在相同阻斷電壓和電流額定值的情況下，SiC材料具有較高的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，基于這一特性，SiC MOSFET的芯片面積相較于Si IGBT更小，能實(shí)現(xiàn)更高的電流密度，但這也導(dǎo)致發(fā)熱更為集中。

2）SiC MOSFET 與Si IGBT的輸出特性存在差異。如圖1.1所示，IGBT通常情況下在飽和區(qū)工作；當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，集電極電流IC迅速增加，從飽和區(qū)急劇轉(zhuǎn)為線性區(qū)，且集電極電流不受VCE電壓的影響，因此短路電流以及功耗增加會(huì)受到限制。而對(duì)于SiC MOSFET，如圖1.2所示，它在正常工作期間處于歐姆區(qū)；當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，從歐姆區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)的拐點(diǎn)并不顯著，且飽和區(qū)電流隨VDE電壓升高而增大，導(dǎo)致器件的電流以及功耗增加不受限制。因此SiC MOSFET的短路保護(hù)設(shè)計(jì)尤為重要。

圖1.1 IGBT輸出特性曲線

圖1.2 SiC MOSFET輸出特性曲線

02SiC MOSFET短路保護(hù)方法

短路保護(hù)對(duì)于保證系統(tǒng)穩(wěn)健運(yùn)行以及充分發(fā)揮器件性能非常重要，合格的短路保護(hù)措施不僅能夠快速響應(yīng)并關(guān)斷器件，還能有效避免誤觸發(fā)情況的發(fā)生。常見的短路保護(hù)方式分為電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)兩種類型：電流檢測(cè)通常借助分流電阻或者SenseFET的方式；電壓檢測(cè)采用退飽和保護(hù)，也就是DESAT保護(hù)。以下是對(duì)這三種短路保護(hù)方法的介紹，并闡明了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1.分流電阻檢測(cè)

圖2.1顯示了一種常見的電流檢測(cè)方案，在電源回路的MOSFET源極串聯(lián)一個(gè)檢測(cè)電阻ROC，當(dāng)電流流過電阻ROC會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓VOC，如果檢測(cè)得到的電壓大于邏輯門電路的閾值電壓VOCTH，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短路信號(hào)OC Fault，與此同時(shí)驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉OUT輸出。

圖2.1 過流檢測(cè)電路1

分流電阻檢測(cè)電流的方案簡(jiǎn)單明了、易于理解，具備出色的通用性，可以在任何系統(tǒng)中靈活應(yīng)用。為了保證檢測(cè)信號(hào)的精準(zhǔn)度，需要選擇高精度電阻以及快速響應(yīng)的ADC電路；同時(shí)為了防止保護(hù)信號(hào)誤觸發(fā)，需要在比較器前加入適當(dāng)?shù)臑V波電路。該方案可以采用電阻電容以及比較器的分立元器件搭建實(shí)現(xiàn)，也可以選擇集成OC保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)IC芯片。

針對(duì)PFC電路，可對(duì)電流檢測(cè)電阻的位置進(jìn)行調(diào)整，圖2.2展示了一種負(fù)壓閾值過流檢測(cè)的方法。以Boost-PFC這類電路結(jié)構(gòu)為例，在功率的返回路徑中，電流檢測(cè)電阻ROC檢測(cè)得到的電壓為負(fù)電壓，當(dāng)檢測(cè)電壓小于設(shè)置的閾值電壓VOCTH時(shí)，保護(hù)信號(hào)將被觸發(fā)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器輸出引腳會(huì)輸出關(guān)斷信號(hào)。

圖2.2 過流檢測(cè)電路2

這種方案的缺點(diǎn)在于電阻帶來額外的功率損耗，在大功率系統(tǒng)中，大電流流過檢測(cè)電阻會(huì)產(chǎn)生較大的功率損耗；而在小功率系統(tǒng)中，則需要更大的電阻來保持檢測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性，這同樣也會(huì)影響系統(tǒng)效率。同時(shí)，如圖2.1所示的方案，檢測(cè)電阻帶來的壓降對(duì)功率器件的柵-源極電壓造成影響，此外，圖2.2所示的方案還存在拓?fù)涞木窒扌浴?/p>

2.2.帶電流檢測(cè)的功率器件

如圖2.3所示，有一種帶Sense功能的功率器件，其中，SenseFET集成在功率模塊內(nèi)，與主器件并聯(lián)。通過使用高精度的分流電阻，可對(duì)SenseFET的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如此一來，檢測(cè)到的電流與器件電流同步。

圖2.3 SenseFET

集成在功率模塊內(nèi)部的SenseFET，因寄生電感小，受到噪聲的影響小。但是帶SenseFET的電源模塊存在明顯劣勢(shì)：一方面，其成本較高，會(huì)增加系統(tǒng)整體成本；另一方面，市場(chǎng)上這類器件的種類較少，可替代性較低。

2.3.退飽和檢測(cè)

2.3.1.DESAT功能介紹

退飽和檢測(cè)的本質(zhì)是電壓檢測(cè)，當(dāng)器件發(fā)生短路時(shí)，器件漏極和源極兩端的電壓會(huì)異常升高，因此可以通過比較器件正常導(dǎo)通時(shí)和短路時(shí)的漏源極電壓作為短路判斷的依據(jù)。

當(dāng)器件開通且正常工作時(shí)，SiC器件兩端的電壓可能在1V左右，芯片內(nèi)部集成的電流源IDESAT通過DESAT引腳，流經(jīng)電阻RDESAT和高壓二極管DDESAT至MOSFET的漏極，此時(shí)電容CBLANK兩端的電壓為SiC MOSFET漏源極壓降、高壓二極管DDESAT兩端壓降和電阻RDESAT兩端壓降之和。

圖2.4

當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，SiC MOSFET的漏源極電壓迅速上升，高壓二極管DDESAT反偏，內(nèi)部電流源IDESAT通過DESAT引腳給外部電容CBLANK充電；當(dāng)電容CBLANK兩端電壓超過內(nèi)部比較器的閾值電壓VT(DESAT)，就會(huì)觸發(fā)短路保護(hù)。

納芯微電子（簡(jiǎn)稱納芯微，科創(chuàng)板股票代碼688052）是高性能高可靠性模擬及混合信號(hào)芯片公司。自2013年成立以來，公司聚焦傳感器、信號(hào)鏈、電源管理三大方向，為汽車、工業(yè)、信息通訊及消費(fèi)電子等領(lǐng)域提供豐富的半導(dǎo)體產(chǎn)品及解決方案。

納芯微以『“感知”“驅(qū)動(dòng)”未來，共建綠色、智能、互聯(lián)互通的“芯”世界』為使命，致力于為數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界的連接提供芯片級(jí)解決方案。