在短路条件下评估1200 V SIC MOSFET的鲁棒性

SiC MOSFET是最大限度地提高功率转换器效率的最佳答案吗？本文探讨了最近在1200 V，80MΩSICMOSFET上执行的研究，突出了其短路功能。

由于其极低的开关损耗，碳化硅（SIC）MOSFET非常希望最大限度地提高功率转换器的效率。然而，当这些设备是实际的解决方案时，它们的短路稳健性长期以来一直是讨论的主题，用于真实世界的电源转换应用程序的实用解决方案。

由于相对较小的模具尺寸，较高的短路电流密度和较小的热电容意味着SiC MOSFET的短路耐受时间比类似额定硅IGBT更短。幸运的是，最近关于1200 V，80MΩSICMOSFET的研究表明，适当的栅极驱动器设计，支持更快的响应时间可以保护SIC MOSFET免受短路损坏。本研究将讨论1200 V，80MΩSICMOSFET的短路能力。提出和解释了从各种操作条件下进行的破坏性测试收集的结果，以及从应用程序和设备视角的设计权衡。此外，该研究的另一个部分与De-SAT保护功能相比，各种现成栅极驱动IC的性能。

SiC MOSFET结构和短路功能

当比较具有相似电流额定值的SI IGBT和SIC MOSFET时，SiC MOSFET在短路条件下具有5-10倍的电流密度。更高的瞬时功率密度和较小的热电容导致更快的升温和较低的短路耐高耗。MOSFET饱和电流主要由沟道区的设计控制。虽然需要更短的通道和更高的导通栅极电压来降低导通电阻，但它们也增加了饱和电流并降低了短路耐久性。在状态电阻和短路电流之间的这种权衡是固有的SIC MOSFET设计并且最好通过设计具有比传统IGBT栅极驱动器提供的响应时间更快的栅极驱动器来解决。这允许使用SiC MOSFET来容纳电路条件的设计，而不会影响器件的导通电阻或芯片尺寸。

破坏性的短路测试结果

设计了测试电路（图1A和1B），用于在各种工作条件下评估1200 V，80MΩSICMOSFET（Littelfuse LSIC1MO120E0080）（图2）的短路能力。高带宽，高压无源探针用于测量漏极 - 源极（VDS）和栅极到源极（VGS）电压;Rogowski线圈用于器件电流（IDS）测量。

图1A。短路测试电路原理图

图1B。短路测试设置。亚克力外壳围绕测试设置，以保护设备和实验者在灾难性的设备故障或爆炸时保护设备和实验者。

图2。该评估测试的设备是Littelfuse LSIC1MO120E0080系列增强模式1200 V，80 MoHM N沟道SiC MOSFET

图3显示了10个样品的短路测试结果，在室温下具有600 V的漏极电压和20V栅极电压。图4和5显示了对破坏性故障的短路耐受时间和临界能量。器件的结果具有紧密的分布，短路电流为约250A左右，并且所有器件的短路耐受时间大于7μs。

图3。不同设备的短路测试结果

图4。在600V直流漏极电压下承受时间

图5。600V直流漏极电压下的临界能量

图6示出了在20V的栅极电压下的各种排水电压下的短路测试结果在20V的栅极电压下。尽管峰值电流相似，但在所有条件下约为250A，短路耗尽时间从20多次下降对于800 V的200V漏极电压为3.6μsμs。随着直流母线电压的增加，瞬时功率耗散也显着增加。因此，温度升高得多，导致耐久性较低的短路。

图6。不同直流排水电压的短路

图7显示了栅极电压为15V和20V的测试结果，用于漏极电压为600V。这些结果表明峰值电流强烈取决于栅极电压，从250A处的20 V栅极电压降低到100A处于15 V栅极电压，其支持设计折衷理论，关于驱动电压/导通电阻/短路峰值电流和耐受时间关系，本文前面讨论。研究但证明对装置的短路耐压时没有明显影响的其他因素是装置的外栅极电阻和环境温度。

图7。具有不同栅极驱动电压的短路

通过栅极驱动器IC De-Sat保护短路保护

保护SiC MOSFET从短路故障需要栅极驱动器检测过电流状态，并在其耐压内关闭MOSFET。为SI IGBT器件开发的几个现成的驱动器IC提供了集成的饱和度（DE-SAT）保护功能，可在导通状态期间监控VD，如果发生过电流事件，则会关闭设备。如果驱动程序IC可以快速响应，则相同的驱动器IC可用于SIC MOSFET的短路保护。

图8显示了使用各种驱动器IC来实现DE-SAT功能的电路。快速动作SI二极管（DD）阻塞在断开状态下的VD，齐纳二极管（DC）在切换转换期间保护DE-SAT引脚，并且电容器（CB）控制消隐时间以避免在切换期间误触发短暂的。

图8。DE-SAT实现

图9显示了具有DE-SAT保护的IC的短路事件的波形。

图9。DE-SAT保护瞬态

由于SiC MOSFET的快速切换速度和所需的优化电源循环布局，设备的时间量电压和电流瞬态事件比IGBT短得多的稳定状态。因此，在基于SIC的设计中使用的驱动器IC的DE-SAT功能所需的消隐时间也应该更短。为了保护SiC MOSFET，通常选择小于100pF的CB，并且消隐时间可以短至200ns以降低驱动器IC的总响应时间。

表1比较了不同驱动器IC与33 PF消隐电容的性能。结果表明，每个IC可以在1-4μs内拍摄期间保护SiC MOSFET。它们中的每一个也具有“软关闭”功能，其在短路条件下慢慢关闭设备，以保护MOSFET和驱动IC。

表1.商业驱动程序IC评估

半桥配置的短路保护

最后，在单个设备和半桥配置中的短路条件下将具有最长响应时间的SiC MOSFET和栅极驱动器IC在一起。图10示出了具有800 V直流母线电压的射击瞬变期间的测试波形。在半桥形配置中，在整个瞬态和底部设备中保持顶部设备由具有DE-SAT功能的栅极驱动器驱动。

图10.左：用单个设备进行射击保护。正确的：射击保护半桥配置。

图10中的结果表明，SiC MOSFET可以在两个条件下安全地关闭。结果还表明，在半桥配置中，DC链路电压由两个设备共享，每个设备的实际电压远低于直流母线电压，这提供了更多的保护电路反应时间。如果底部和顶部设备都具有射击保护功能，则可以保护整个电路。

概括

本文介绍了1200 V SIC MOSFET的短路能力和使用现成驱动器IC的过电流保护解决方案。讨论了几种设计考虑因素以确保准确测量。测试结果表明，SiC MOSFET的短路能力与漏极电压和栅极电压高度相关，但对壳体温度和切换速度不敏感。通过减少栅极驱动电压或降低总线电压，可以实现更长的耐压时间，但这些解决方案将降低SiC MOSFET的性能。

更好的解决方案是实现过流保护，以检测设备过电流并安全关闭设备。具有DE-SAT保护的商业IGBT驱动程序可以有效保护SIC MOSFET，但需要优化电路，以确保DE-SAT保护的总响应时间短足以保护SIC MOSFET。比较了具有DE-SAT保护功能的各种离心栅极驱动IC的性能，并且可以在现实寿命短路条件下保护1200V SIC MOSFET的栅极驱动器设计。

本文是合作的Levi Gant.那杜松子酒， 和张镇博士。

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