朱 沁

上海電氣輸配電集團 上海 200042

1 研究背景

隨著電力電子設(shè)備要求的提高與功率半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展,以碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體正逐步實現(xiàn)市場化。與傳統(tǒng)硅材料相比,碳化硅材料阻斷電壓高,高頻特性好,導(dǎo)通電阻低,通態(tài)損耗小,在提高系統(tǒng)效率的同時有利于減小散熱器、電感等設(shè)備的體積,從而提高功率密度,滿足設(shè)備小型化、集成化的發(fā)展要求。在實際應(yīng)用中,功率器件的可靠性問題,特別是短路問題不可忽視。與傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管相比,碳化硅場效晶體管功率密度高,在短路條件下電流密度是前者的5～10倍。另一方面,碳化硅材料的溝道遷移率低,使導(dǎo)通碳化硅器件需更高的驅(qū)動電壓,由此導(dǎo)致碳化硅器件的短路電流遠高于同等級硅器件,且碳化硅器件的短路耐受時間更短。已有研究表明,在短路發(fā)生后的2～3μs時間內(nèi)封鎖開通脈沖,才能對碳化硅器件實現(xiàn)有效保護,這對短路檢測和短路保護提出了更高的要求。

常見的短路保護方法有漏源電壓檢測法、電流傳感器電流檢測法、霍爾電流變化率檢測法、柵極電荷檢測法等。漏源電壓檢測法利用器件的輸出特性,通過漏源電壓有效反映漏極電流的大小,原理簡單,成本低,在目前的驅(qū)動器檢測中使用廣泛。但是,傳統(tǒng)的絕緣柵雙極晶體管驅(qū)動器漏源電壓檢測法存在短路響應(yīng)時間較長、門極電阻值需要調(diào)節(jié)、門極鉗位不理想、短路電流過大等缺點,對功率密度高的碳化硅場效晶體管不具有通用性。對此,筆者對漏源電壓檢測保護電路進行分析,提出碳化硅場效晶體管短路保護策略。

2 傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護策略

傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管漏源電壓檢測保護電路如圖1所示。當絕緣柵雙極晶體管關(guān)斷時,場效晶體管T1導(dǎo)通,電流源1被場效晶體管T1旁路,電容Ca的電位被鉗在低位,比較器不翻轉(zhuǎn)。當絕緣柵雙極晶體管進入開通的過程中,場效晶體管T1截止,絕緣柵雙極晶體管進入飽和導(dǎo)通,電流源1通過檢測電阻Rm、二極管Dm、絕緣柵雙極晶體管形成回路,比較器不翻轉(zhuǎn)。當絕緣柵雙極晶體管出現(xiàn)短路時,絕緣柵雙極晶體管退出飽和區(qū),漏源電壓快速升高至直流母線電壓,二極管Dm截止,電流源1向電容Ca充電,電容Ca的電位線性升高,達到閾值時比較器翻轉(zhuǎn),驅(qū)動器發(fā)出短路故障信號。

圖1 傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管漏源電壓檢測保護電路

傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護策略有三個關(guān)鍵點。

(1) 關(guān)斷電壓尖峰。絕緣柵雙極晶體管在正常情況關(guān)斷時會產(chǎn)生一定的電壓尖峰,但數(shù)值不會太高。若在交流器過載或橋臂短路時關(guān)斷絕緣柵雙極晶體管,則產(chǎn)生的電壓尖峰會非常高,此時絕緣柵雙極晶體管容易因電壓尖峰而損壞。對此,常采用有源鉗位電路,如圖2所示。但是,這種有源鉗位電路有明顯的缺點。有源鉗位電路工作在絕緣柵雙極晶體管關(guān)斷的瞬間,此時絕緣柵雙極晶體管驅(qū)動器的最后一級三極管T3開通,有源鉗位二極管的一部分電流Iz流入門極電阻,另一部分電流Ic流入三極管T1。三極管T1的阻抗低,導(dǎo)致有源鉗位二極管Dz的電流增大,從而使短路電壓持續(xù)升高,鉗位效果不好。對于碳化硅場效晶體管而言,其開關(guān)速率比絕緣柵雙極晶體管更快,輸入電容更小,對系統(tǒng)中的雜散參數(shù)更為敏感,所以碳化硅場效晶體管短路時電壓尖峰更高,傳統(tǒng)有源鉗位電路抑制電壓尖峰的效果非常不明顯。

圖2 傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管有源鉗位電路

(2) 短路電流。通常短路電流為正常工作電流的5～10倍,在短路關(guān)斷瞬間電流尖峰則更高。過高的電流尖峰容易造成絕緣柵雙極晶體管損壞,加之米勒效應(yīng),過高的電流尖峰容易引起絕緣柵雙極晶體管誤開通。碳化硅器件的輸入電容比同等級硅器件小,門極導(dǎo)通壓降比同等級硅器件低,米勒效應(yīng)更加顯著。解決這一問題的通常方法是增加關(guān)斷電阻,但與此同時會帶來關(guān)斷延時與關(guān)斷損耗增加等問題。

(3) 短路響應(yīng)時間。短路故障發(fā)生時,絕緣柵雙極晶體管出現(xiàn)退飽和現(xiàn)象,絕緣柵雙極晶體管的損耗會顯著增加。在不影響絕緣柵雙極晶體管性能的前提下,絕緣柵雙極晶體管所能承受短路大電流的時間非常短,只有10μs。碳化硅場效晶體管所能承受短路大電流的時間則更短,只有3μs左右,這就要求漏源電壓檢測保護電路更加靈敏,響應(yīng)時間更短。

3 碳化硅場效晶體管短路保護策略

針對傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護策略關(guān)斷電壓尖峰高、短路電流大、短路響應(yīng)時間長等問題,筆者對漏源電壓檢測保護電路進行分析,提出碳化硅場效晶體管短路保護策略。傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護策略短路電流分析如圖3所示。短路時,絕緣柵雙極晶體管進入退飽和區(qū),此時有源鉗位二極管截止,短路檢測總電流Itvs共有三個分支:Iac3流向集電極檢測端ACL,與驅(qū)動器內(nèi)部恒流源進行比較翻轉(zhuǎn)后,發(fā)出故障信號;Iac2通過門極二極管流向絕緣柵雙極晶體管的門極;Iac1通過門極二極管流向驅(qū)動器內(nèi)的推挽三極管T2。

圖3 傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護策略短路電流分析

由短路電流分析可知,基于傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護策略,希望總短路電流Itvs盡可能由Iac3和Iac2組成,但是由于關(guān)斷時刻驅(qū)動器內(nèi)部三極管T2開通時阻抗更低,大部分電流會經(jīng)過關(guān)斷電阻Roff成為Iac1,這樣會導(dǎo)致兩個問題。第一,由于三極管T2旁路了大部分Iac1,總短路電流Itvs只有更大,才能使Iac3達到檢測電位點,這樣會增大短路總電流,延長檢測響應(yīng)時間。第二,Iac1的分流使Iac2減小,進而使絕緣柵雙極晶體管的門極電壓降低,造成有源鉗位效果不明顯,關(guān)斷電壓尖峰得不到有效的抑制。

目前工程上采用的改進方法是增大關(guān)斷電阻Roff。這種方法雖然能夠在一定程度上提高有源鉗位電路的效率,抑制短路關(guān)斷電壓尖峰,但是關(guān)斷電阻增大與開關(guān)損耗低、開關(guān)速度快是相互矛盾的,而且增大關(guān)斷電阻還會增加關(guān)斷延時,因此很難滿足碳化硅器件極短的關(guān)斷時間要求。

筆者提出的碳化硅場效晶體管短路保護策略短路電流分析如圖4如示。保護策略為,當碳化硅場效晶體管短路時,驅(qū)動器內(nèi)部推挽三極管T5發(fā)出用于調(diào)節(jié)的200 MHz高電平脈沖,直到碳化硅場效晶體管完全關(guān)斷為止。高電平脈沖的持續(xù)時間大約為500 ns。對短路電流進行具體分析:短路時,碳化硅場效晶體管進入退飽和區(qū),此時有源鉗位二極管截止,短路檢測總電流Itvs分為三個分支Iac1、Iac2、Iac3;驅(qū)動器內(nèi)部推挽三極管T5連續(xù)發(fā)出高電平脈沖,Iac3回路阻抗最低,短路電流主要流向漏源電壓檢測引腳;與此同時,高電平脈沖使碳化硅場效晶體管被部分打開,使關(guān)斷電壓尖峰得到抑制;Iac1與Iac3相比較小,可以忽略不計,即可忽略關(guān)斷電阻Roff對短路電壓、電流的影響。采用碳化硅場效晶體管短路保護策略,Iac3增大使短路響應(yīng)時間縮短,實測短路響應(yīng)時間最短可以達到1.8μs。與傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護策略相比,碳化硅場效晶體管短路保護策略在短路響應(yīng)時間、短路電流、關(guān)斷電壓尖峰等方面都有明顯優(yōu)勢。

圖4 碳化硅場效晶體管短路保護策略短路電流分析

通過試驗證明,碳化硅場效晶體管短路保護策略對于電壓尖峰的抑制優(yōu)于傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護策略。以CAS300M12BM2碳化硅模塊為例,在直流母線電壓為800 V,門極開通電壓為15 V,關(guān)斷電壓為-5 V,開通關(guān)斷電阻為2.5 Ω,短路響應(yīng)時間為1.8μs時,短路電流為2 520 A,母線電壓關(guān)斷值為959 V。將門極開通電壓升高至20 V,短路響應(yīng)時間為2.445μs,此時短路電流為4 280 A,母線電壓關(guān)斷值為972 V。由此可見,采用碳化硅場效晶體管短路保護策略,短路電流即使增大為原來的2倍,母線電壓關(guān)斷值也不會有明顯升高,對關(guān)斷電壓尖峰的抑制作用明顯。

通過以上分析,碳化硅場效晶體管短路保護策略具有三方面優(yōu)勢。

(1) 具有更好的關(guān)斷電壓尖峰抑制效果,門極電阻不會影響有源鉗位性能,提高了開關(guān)管的速率,并且降低了開關(guān)損耗。

(2) 在短路大電流條件下能夠快速關(guān)斷碳化硅場效晶體管,有效減小了米勒電流,從而削弱了米勒效應(yīng)的影響。

(3) 最快可以在1.8μs內(nèi)關(guān)斷碳化硅場效晶體管,相比傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護策略,短路響應(yīng)時間更短,并且更安全。

4 試驗驗證

采用所提出的碳化硅場效晶體管短路保護策略,選用SIC1182K芯片進行試驗,以驗證碳化硅場效晶體管短路保護策略的有效性。

SIC1182K芯片原理如圖5所示。

圖5 SIC1182K芯片原理

在碳化硅場效晶體管開通過渡階段及保持開通狀態(tài)時,門極電壓升高為高電平,檢測漏源電壓的引腳SNS表現(xiàn)為高阻態(tài),漏源電壓的檢測功能被使能,此時可以對碳化硅場效晶體管的漏源電壓進行檢測。當漏源電壓檢測引腳SNS的電壓高于閾值0.4 V時,認定發(fā)生短路故障,驅(qū)動器內(nèi)部的推挽三極管發(fā)出用于調(diào)節(jié)的200 MHz高電平脈沖,直到碳化硅場效晶體管完全關(guān)斷為止,時長約500 ns。在碳化硅場效晶體管關(guān)斷過渡階段及保持關(guān)斷狀態(tài)時,門極電壓降低至關(guān)斷低電平,檢測漏源電壓的引腳SNS表現(xiàn)為低阻抗,對漏源電壓進行檢測。當流入的電流達到535μA時,門極電壓會升高,將碳化硅場效晶體管鉗制在線性區(qū),可以防止出現(xiàn)關(guān)斷電壓尖峰。

試驗現(xiàn)場如圖6所示,試驗短路拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示,由羅戈夫斯基線圈測量碳化硅場效晶體管的輸出漏極電流。

圖6 試驗現(xiàn)場

圖7 試驗短路拓撲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)母線電壓調(diào)節(jié)至800 V,碳化硅場效晶體管的正常電流為30 A,用短導(dǎo)線短路三極管Q2,驅(qū)動板上開通關(guān)斷電阻設(shè)置為15 Ω,此時對三極管Q1

發(fā)出一個時長為2.5μs的高電平脈沖。觀察門極電壓、漏源電壓檢測引腳信號、故障信號、短路電流。

試驗檢測界面如圖8所示,黃色通道為門極電壓,綠色通道為漏源電壓檢測引腳信號,藍色通道為故障信號,紅色通道為短路電流。

圖8 試驗檢測界面

對三極管Q1發(fā)出時長為2.5μs的高電平脈沖,門極電壓開通三極管Q1。漏源電壓檢測引腳為高阻態(tài),漏源電壓的檢測功能被使能,可以對碳化硅場效晶體管的漏源電壓進行檢測。漏源電壓檢測引腳發(fā)現(xiàn)短路故障,短路電流達到200 A,檢測時間為1μs。驅(qū)動器內(nèi)部的推挽三極管發(fā)出用于調(diào)節(jié)的200 MHz高電平脈沖,直到碳化硅場效晶體管完全關(guān)斷為止,時長約500 ns。

5 結(jié)束語

碳化硅場效晶體管是一種性能優(yōu)異的高壓開關(guān)器件,但需要重視關(guān)斷電壓尖峰、短路電流等問題。傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管短路保護策略不適用于碳化硅場效晶體管,對此,筆者提出了碳化硅場效晶體管短路保護策略,并通過試驗進行了驗證。