SIC MOSFET驱动电路设计-短路保护

2019-06-13 09:46

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上期回顾：SIC MOSFET驱动电路设计概述。

为确保碳化硅（SiC）功率器件在过载、短路等工况下能安全可靠地工作，必须充分认识SiC 器件的短路机理。由于SIC MOSFET晶圆面积小，电流密度大且短路能力较弱，因此对电路保护要求更高。

SIC MOSFET驱动电路与现有的SI功率器件驱动电路相兼容，但其驱动电路中的短路保护部分比较难搞。

一方面，在SI IGBT的数据手册中，短路电流及其与栅射级电压的关系曲线、短路承受时间是被列出来的，但主流SIC MOSFET的厂商在Datasheet中并没有提供关于短路承受时间与短路电流的数据。

以ST的650V／110A的SIC MOSFET，型号为：SCTW90N65G2V，和650V／120A的IGBT，型号为：STGYA120M65DF2，为例，参考其Datasheet进行对比。在特性中：IGBT的Datesheet明确标注短路承受时间6us，如图1所示，SIC MOSFET的Datesheet没有标注短路承受时间，如图2，IGBT的Datesheet中有IGBT短路电流时间与短路电流和VGE关系，如图3，而SIC MOSFET的Datesheet没有。

图1 IGBT特性

图2 SIC MOSFET特性

图3 IGBT短路电流时间与短路电流和VGE关系

另一方面，一些研究人员已发表的关于SIC MOSFET的短路承受时间的数据都比较小。SIC MOSFET的单次短路承受时间很短，并且在进行重复性短路测试以后，SIC MOSFET会出现老化现象，例如CREE的第一代TO247封装的SIC MOSFET（CPMF－1200－S160B），在Vds＝400V，Vgs＝18V，Tcase＝115℃，Ton＝14us的条件下测试，1000次短路脉冲后，阈值电压和栅极漏电流出现明显变化，栅极漏电流增加了大约8个数量级，阈值电压增加了约0．9V，短路电流也出现明显下降。

短路故障的种类

在实际电路中，可能会出现两种短路故障。

一种是，在正常工作时，负载突然短路，器件从正常工作状态迅速转换成高压大电流状态；另一种是在工作前，负载已经处于短路状态，这时时从零电流状态迅速调至器件承受大电流状态。

短路保护

在高压大功率应用中，SIC MOSFET会遇到短路或者过流的情形，驱动保护电路需要快速检测到错误状态，然后再器件和电路损坏之前安全关闭SIC MOSFET。再IGBT的短路保护电路中，常用的是去饱和检测Vce，去饱和电路也可以用在SIC MOSFET驱动电路的保护电路中，相对于IGBT来说，SI MOSFET的脉冲电流和短路承受时间更小，需要降低消隐时间和参考电压的阈值。如图4，IGBT的去饱和电路，C13＿UB为消隐电容。