本文針對(duì)應(yīng)用在大功率雙有源橋(DAB)中的1200V/1200A SiC MOSFET，提出了一種基于鏡像電流檢測(cè)的快速過(guò)流和短路保護(hù)方法。結(jié)果表明，無(wú)論對(duì)于橋臂直通引起的低回路電感短路（也稱為短路故障類型1或者硬開(kāi)關(guān)短路），還是對(duì)于負(fù)載故障引起的高回路電感短路，這種保護(hù)方法都是可行的。此外，還分析了不同結(jié)溫下SiC MOSFET的短路特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用該方法能保證SiC MOSFET在短路發(fā)生后始終在短路安全工作區(qū)(SCSOA)內(nèi)運(yùn)行。
1.引言
與傳統(tǒng)硅器件相比，碳化硅(SiC)功率半導(dǎo)體具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。其中，SiC材料具有10倍于Si材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，因此可以制作更薄的芯片，從而帶來(lái)更低的通態(tài)損耗[1]。此外，SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)速度更快，開(kāi)關(guān)損耗也相對(duì)較低。因此，SiC功率模塊適用于更高效和緊湊的電力電子變換器[2]。
由于芯片比較薄及沒(méi)有去飽和效應(yīng)，與IGBT相比，SiC MOSFET的短路更難處理。Si IGBT通常允許短路耐受時(shí)間為10us，而SiC功率器件的耐受時(shí)間只有幾u(yù)s [3]。并且，其短路關(guān)斷電流變化率比正常工況高很多，所以應(yīng)考慮采用軟關(guān)斷來(lái)抑制電壓尖峰，以確保在SCSOA內(nèi)運(yùn)行。然而，軟關(guān)斷會(huì)進(jìn)一步增加關(guān)斷損耗。同時(shí)，必須考慮不同的短路場(chǎng)景：例如低回路電感短路和高回路電感短路，以及硬開(kāi)關(guān)故障(HSF, Hard Switching Fault)，也稱為1類短路。對(duì)于HSF, MOSFET開(kāi)通后直接進(jìn)入短路狀態(tài)[4]。為了克服短路應(yīng)用障礙，三菱電機(jī)研究的SiC MOSFET模塊提供了所謂的實(shí)時(shí)電流控制(RTC，Real Time Current Control )功能，一個(gè)基于鏡像電流的過(guò)流檢測(cè)，在短路發(fā)生時(shí)限制短路電流。
2.基于鏡像電流檢測(cè)及RTC電路
為了檢測(cè)過(guò)流和短路，在MOSFET芯片上集成了鏡像電流源，其電流與總源極電流成一定比例，這個(gè)縮小的電流被用來(lái)檢測(cè)短路。這種用于短路檢測(cè)的鏡像電流概念之前已經(jīng)應(yīng)用于Si和SiC器件[5][6][7]。與最先進(jìn)的短路檢測(cè)方法相比，比如檢測(cè)退飽和壓降技術(shù)[8][9]，基于鏡像電流的解決方案可以檢測(cè)1類和2類短路，同時(shí)保護(hù)速度顯著加快。為了減少器件關(guān)斷應(yīng)力，鏡像電流檢測(cè)可以與RTC電路相結(jié)合使用。一旦檢測(cè)到短路，RTC電路立即降低器件內(nèi)部的柵極電壓，以限制短路電流上升，從而簡(jiǎn)化發(fā)生短路時(shí)關(guān)斷電路的設(shè)計(jì)。
RTC和驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)化原理圖如圖1所示。短路情況下的簡(jiǎn)化波形如圖2所示。在t=t0時(shí)發(fā)生短路，電流以比通常高得多的變化率增加。在t=t1時(shí)達(dá)到短路保護(hù)閾值iD,th。在t1 < t < t2期間，檢測(cè)電路對(duì)短路做出反應(yīng)。在t2 < t < t3期間，雙極晶體管Q1被檢測(cè)電路開(kāi)通，并根據(jù)由RG、RRTC和二極管DRTC組成的分壓網(wǎng)絡(luò)來(lái)降低柵極電壓VGS。此時(shí)柵極電壓如式(1)所示，通常在3~6V的范圍內(nèi)。
3. 柵極驅(qū)動(dòng)電路
如圖1所示，柵極驅(qū)動(dòng)電路主要分為三個(gè)部分：功率部分、故障反饋部分、故障關(guān)閉以及與上級(jí)控制的通信接口。功率部分由MOSFET組成的推挽功率放大電路和柵極電阻RG組成，柵極電阻RG需要根據(jù)公式(1)并根據(jù)MOSFET工作時(shí)的開(kāi)關(guān)波形來(lái)確定。該柵極驅(qū)動(dòng)器的通信接口由控制信號(hào)和故障反饋信號(hào)組成，采用光纖，以減少變流器應(yīng)用中的電磁干擾。故障反饋和關(guān)斷電路的簡(jiǎn)化電路圖如圖1所示。正如在前一章中討論的，SC引腳在正常工況時(shí)是高電平，在故障情況下是低電平。
該故障信號(hào)輸出時(shí)，先經(jīng)過(guò)濾波電路，以防止由于電磁干擾造成的誤動(dòng)作，如果必要的話采用延時(shí)電路來(lái)增加關(guān)斷時(shí)間以減少元件關(guān)斷應(yīng)力。將濾波后的故障信號(hào)與設(shè)定的參考電平用比較器電路進(jìn)行比較。比較器的輸出可以使能或禁用驅(qū)動(dòng)器功率部分，當(dāng)故障信號(hào)輸入時(shí)，功率級(jí)輸出呈高阻態(tài)，正如前一章所提到的，柵極電容Ciss通過(guò)RTC電阻RRTC和高阻抗無(wú)源放電電阻放電。同時(shí)一個(gè)反饋信號(hào)被發(fā)送到上級(jí)控制端，進(jìn)而使變流器停機(jī)。在故障發(fā)生后，所有驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)都被設(shè)置為邏輯低電平，以防止發(fā)生更嚴(yán)重的故障。驅(qū)動(dòng)器PCB電路圖如圖3所示。
4.高回路電感情況下變流器短路關(guān)斷
當(dāng)一個(gè)MOSFET觸發(fā)短路保護(hù)時(shí)，變流器應(yīng)切換至安全狀態(tài)，以防止進(jìn)一步的損壞。當(dāng)發(fā)生高回路電感情況下的短路，最簡(jiǎn)單的方法是關(guān)閉全橋電路中所有的MOSFET，如圖4左側(cè)所示，此時(shí)續(xù)流電流通過(guò)直流回路，回路中的電感會(huì)串聯(lián)到短路回路中。當(dāng)短路電流iSC至過(guò)零點(diǎn)，電感的能量持續(xù)降低，直到電感磁場(chǎng)中沒(méi)有剩余的能量，MOSFET體二極管不再導(dǎo)通。由于MOSFET的電容Coss被充電，如圖4所示，導(dǎo)致負(fù)載電感和電容之間的振蕩，產(chǎn)生公式(2)中計(jì)算的諧振頻率fres。圖5顯示了變流器一般關(guān)斷的測(cè)量結(jié)果。在電流過(guò)零點(diǎn)之后，觀測(cè)到MOSFET的電壓VDS、VGS和電流iD都在振蕩。在最壞的情況下，這些振蕩會(huì)對(duì)柵極電壓產(chǎn)生電磁干擾，并可能導(dǎo)致MOSFET的失效或誤開(kāi)通。
5.實(shí)驗(yàn)裝置
為了測(cè)量典型應(yīng)用中高回路電感和低回路電感短路，使用如圖8所示的全橋拓?fù)洹＿@是一個(gè)常見(jiàn)拓?fù)�，�?yīng)用于各類隔離DC/DC變換器，如DAB或諧振LLC變換器。負(fù)載由中頻變壓器(MFT)組成，中頻變壓器的二次側(cè)短路。直流母排和MFT本身組成的雜散電感經(jīng)測(cè)量為L(zhǎng)σ= 4.5uH。為了測(cè)量不同的結(jié)溫，使用了油冷卻散熱器。設(shè)置直流母線電壓VDC = 850V，短路電流為5kA，結(jié)溫高達(dá)150℃。該測(cè)量設(shè)置的參數(shù)是根據(jù)500kW DAB的要求進(jìn)行設(shè)置的。DAB測(cè)試裝置如圖7所示。
6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了評(píng)估所提出的短路檢測(cè)和保護(hù)方法，使用了前一章中所述測(cè)試裝置。將結(jié)果與圖9所示的SCSOA進(jìn)行比較。最重要的影響因素包括最大漏極短路電流，根據(jù)選用的模塊，iD<8iD,nom = 9.6 kA。另一個(gè)限制是短路耐受時(shí)間tw須小于3us。最后一個(gè)重要因素是關(guān)斷過(guò)程的最大能量不應(yīng)超過(guò)Emax =15。
7.結(jié)論
本文介紹了一種基于鏡像電流的過(guò)流和短路快速檢測(cè)與保護(hù)方法。并采用1200V/ 1200A SiC MOSFET模塊的500kW雙有源橋(DAB)實(shí)驗(yàn)設(shè)置上進(jìn)行了短路關(guān)斷測(cè)試。同時(shí)研究了兩種短路類型，即DAB應(yīng)用中可能發(fā)生的低回路電感和高回路電感短路。兩種測(cè)試結(jié)果均顯示功率模塊的關(guān)斷過(guò)程未超過(guò)短路安全工作區(qū)，且模塊未因短路而損壞。此外，還提出了一種變流器關(guān)斷策略，以防止在負(fù)載短路時(shí)MOSFET輸出電容Coss和負(fù)載電感之間的振蕩。
