本文介紹了一種先進的利用電流檢測端子實現的全SiC模塊過流和短路保護方法。同時給出了采用新開發的驅動器進行測試的結果。新開發的驅動器集成了過流保護、軟關斷和有源箝位等功能。

1. 引 言

全SiC模塊FMF800DX-24A (1200V/800A)主要應用于高頻（開關頻率30kHz~100kHz）、高效率或者高功率密度的場合。

相對于硅器件，全SiC模塊可以大幅減小開關損耗。另一方面，通態損耗在保證短路能力的情況下做到最優化。SiC MOSFET芯片的導通電阻與其短路耐量成反比例。圖1為SiC MOSFET芯片的導通電阻（RDS(on)）與其短路耐量(ESC)的折衷曲線。

圖1 SiC MOSFET芯片的導通電阻與其短路耐量的折衷曲線

因為SiC MOSFET芯片的可承受短路耐量有限（數us），為了減少短路發生時的響應時間和降低短路能量，采用獨立的電流檢測端子是個很好的選擇。這樣，SiC MOSFET芯片的導通電阻可以設計得比較小。同時，過流保護閾值可以任意調整，并能夠很容易被檢測到，且在驅動電路中可采用合適的措施用于短路關斷。從而，短路電流值和短路能量都可以得到顯著降低。

2. 全SiC MOSFET 短路耐量

FMF800DX-24A內部采用8片100A SiC MOSFET芯片并聯，其柵極閾值電壓VGS(th)的典型值為1V。對其短路耐量來說，必須考慮VGS(th)的分布。圖2給出了FMF800DX-24A的短路阻值與VGS(th)的關系曲線。實際測量的最大可承受短路時間（圖2實線）為3~4us，最大短路能量是18.4J。而FMF800DX-24A規格書定義的最大可承受短路時間為tsc(max)=2us，在使用時不能超過此值。當短路發生時，如果采用傳統的退飽和電壓檢測的方法，很難保證在如此短的時間內關斷FMF800DX-24A。因此，推薦使用模塊的電流檢測端子來設計更為先進的短路保護措施。

圖2 FMF800DX-24A的短路耐量與VGS(th)的關系曲線（VDD=850V,Tj=150℃,VGS=+15V）

3. 先進的過流和短路檢測方法

FMF800DX-24A所使用的100A/200V SiC MOSFET芯片金屬化源極上有一個隔離的區域，并且會連接到電流檢測端子。這樣，電流檢測端子的電流和主電路電流成一定比例。圖3給出了MOSFET芯片圖片及其簡化等效電路。（左側為等效電路圖，右側為芯片照片。）

圖3集成電流檢測端子的SiC MOSFET芯片

圖3所示的檢測電阻RS上面的電壓VS可以用于過流檢測。檢測電阻流過的電流與主電路的比例關系1:61500。檢測電阻RS上面的電壓VS與結溫Tj的關系如圖4所示。考慮電流關系和溫度影響后，便可選擇合適的檢測電阻RS來設置需要的過流保護閾值。

圖4漏極電流與檢測電壓之間的關系

4. FMF800DX-24A驅動器保護功能的實現

采用電流檢測并用于FMF800DX-24A的先進保護方法是通過參考設計RDHP-1417來實現的(其采用驅動核2SC0435T)[4][5]，并包括過壓保護和過流保護。內部集成的有源箝位電路實現過壓保護，而過流保護則是通過設定檢測電壓來觸發門極驅動的軟關斷功能來實現的。所采用驅動器的等效原理圖如圖5所示。

圖5驅動器的照片（右）及其等效電路框圖（左）

5. 過壓保護

在大電流且較大di/dt關斷器件時，將導致其承受過大的電壓尖峰。如果器件工作在過流保護閾值以下時，建議驅動器增加額外的措施來抑制關斷電壓尖峰，以保證其小于1200V。比較好的措施是采用集成dv/dt反饋的有源箝位電路（不會主動關斷模塊，且不會產生故障信號）。

圖6所示為FMF800DX-24A在800A和1600A的關斷波形。通過波形可以看出，過壓保護將VDS電壓安全地限制在1200V以下。

圖6 FMF800DX-24A在額定電流和2倍額定電流下的關斷波形（VDD=850V,Tj=25℃）

6. 過流保護

所評價驅動器的過流保護閾值為2000A（2.5倍額定電流）。當電流超過此值時，驅動器將主動進行軟關斷，并反饋故障信號給控制器。圖7給出了關斷電流略小于過流保護閾值時的波形，并與過電流時軟關斷的波形進行對比。從中可以看出，軟關斷時功率模塊上并無明顯過電壓產生。

圖7過流保護及2.5倍額定電流關斷波形（VDD=850V,Tj=25℃）

7. 短路保護

在母線電壓VDD=850V和短路回路電感值LSC=170nH的條件下進行短路測試，以驗證驅動器的短路保護功能。圖8給出了相應測試結果。當電流大約為2000A時，檢測為過流并立即進行軟關斷。短路時間大約為1us，而短路能量為0.65J。這兩次指標均明顯低于模塊的上限值，小于器件的設計界限。通過采用軟關斷功能，短路時的電壓尖峰可以很好地控制在1000V以下。

圖8 FMF800DX-24A短路測試波形（VDD=850V,Tj=25℃）

8. 結 論

三菱電機為高效、超緊湊型變換器（數百kW）提供了一種可靠的新器件解決方案：FMF800DX-24A。針對此全SiC器件，PI公司開發了相應的驅動器參考設計（RDHP-1417）。通過利用模塊的鏡像電流端子，能夠有效地進行短路等情況下的過流保護。同時，該驅動器集成了有源電壓箝位和軟關斷功能，可以有效地抑制大電流關斷時的電壓尖峰。