一种先进的利用电流检测端子实现的全SiC模块过流和短路保护方法

本文介绍了一种先进的利用电流检测端子实现的全SiC模块过流和短路保护方法。同时给出了采用新开发的驱动器进行测试的结果。新开发的驱动器集成了过流保护、软关断和有源箝位等功能。

1. 引 言

全SiC模块FMF800DX-24A (1200V/800A) 主要应用于高频（开关频率30kHz~100kHz）、高效率或者高功率密度的场合。

相对于硅器件，全SiC模块可以大幅减小开关损耗。另一方面，通态损耗在保证短路能力的情况下做到最优化。SiC MOSFET芯片的导通电阻与其短路耐量成反比例。图1为SiC MOSFET芯片的导通电阻（RDS(on)）与其短路耐量(ESC)的折衷曲线。

图1  SiC MOSFET芯片的导通电阻与其短路耐量的折衷曲线

因为SiC MOSFET芯片的可承受短路耐量有限（数us），为了减少短路发生时的响应时间和降低短路能量，采用独立的电流检测端子是个很好的选择。这样，SiC MOSFET芯片的导通电阻可以设计得比较小。同时，过流保护阈值可以任意调整，并能够很容易被检测到，且在驱动电路中可采用合适的措施用于短路关断。从而，短路电流值和短路能量都可以得到显著降低。

2. 全SiC MOSFET 短路耐量

FMF800DX-24A内部采用8片100A SiC MOSFET芯片并联，其栅极阈值电压VGS(th)的典型值为1V。对其短路耐量来说，必须考虑VGS(th)的分布。图2给出了FMF800DX-24A的短路阻值与VGS(th)的关系曲线。实际测量的最大可承受短路时间（图2实线）为3~4us，最大短路能量是18.4J。而FMF800DX-24A规格书定义的最大可承受短路时间为tsc(max)=2us，在使用时不能超过此值。当短路发生时，如果采用传统的退饱和电压检测的方法，很难保证在如此短的时间内关断FMF800DX-24A。因此，推荐使用模块的电流检测端子来设计更为先进的短路保护措施。

图2  FMF800DX-24A的短路耐量与VGS(th)的关系曲线（VDD=850V,Tj=150℃,VGS=+15V）

3. 先进的过流和短路检测方法

FMF800DX-24A所使用的100A/200V SiC MOSFET芯片金属化源极上有一个隔离的区域，并且会连接到电流检测端子。这样，电流检测端子的电流和主电路电流成一定比例。图3给出了MOSFET芯片图片及其简化等效电路。（左侧为等效电路图，右侧为芯片照片。）

图3  集成电流检测端子的SiC MOSFET芯片

图3所示的检测电阻RS上面的电压VS可以用于过流检测。检测电阻流过的电流与主电路的比例关系1:61500。检测电阻RS上面的电压VS与结温Tj的关系如图4所示。考虑电流关系和温度影响后，便可选择合适的检测电阻RS来设置需要的过流保护阈值。

图4  漏极电流与检测电压之间的关系

4. FMF800DX-24A驱动器保护功能的实现

采用电流检测并用于FMF800DX-24A的先进保护方法是通过参考设计RDHP-1417来实现的(其采用驱动核2SC0435T)[4][5]，并包括过压保护和过流保护。内部集成的有源箝位电路实现过压保护，而过流保护则是通过设定检测电压来触发门极驱动的软关断功能来实现的。所采用驱动器的等效原理图如图5所示。

图5  驱动器的照片（右）及其等效电路框图（左）

5. 过压保护

在大电流且较大di/dt关断器件时，将导致其承受过大的电压尖峰。如果器件工作在过流保护阈值以下时，建议驱动器增加额外的措施来抑制关断电压尖峰，以保证其小于1200V。比较好的措施是采用集成dv/dt反馈的有源箝位电路（不会主动关断模块，且不会产生故障信号）。

图6所示为FMF800DX-24A在800A和1600A的关断波形。通过波形可以看出，过压保护将VDS电压安全地限制在1200V以下。

图6  FMF800DX-24A在额定电流和2倍额定电流下的关断波形（VDD=850V,Tj=25℃）

6. 过流保护

所评价驱动器的过流保护阈值为2000A（2.5倍额定电流）。当电流超过此值时，驱动器将主动进行软关断，并反馈故障信号给控制器。图7给出了关断电流略小于过流保护阈值时的波形，并与过电流时软关断的波形进行对比。从中可以看出，软关断时功率模块上并无明显过电压产生。

图7  过流保护及2.5倍额定电流关断波形（VDD=850V,Tj=25℃）

7. 短路保护

在母线电压VDD=850V和短路回路电感值LSC=170nH的条件下进行短路测试，以验证驱动器的短路保护功能。图8给出了相应测试结果。当电流大约为2000A时，检测为过流并立即进行软关断。短路时间大约为1us，而短路能量为0.65J。这两次指标均明显低于模块的上限值，小于器件的设计界限。通过采用软关断功能，短路时的电压尖峰可以很好地控制在1000V以下。

图8  FMF800DX-24A短路测试波形（VDD=850V,Tj=25℃）

8. 结 论

三菱电机为高效、超紧凑型变换器（数百kW）提供了一种可靠的新器件解决方案：FMF800DX-24A。针对此全SiC器件，PI公司开发了相应的驱动器参考设计（RDHP-1417）。通过利用模块的镜像电流端子，能够有效地进行短路等情况下的过流保护。同时，该驱动器集成了有源电压箝位和软关断功能，可以有效地抑制大电流关断时的电压尖峰。