碳化硅场效晶体管短路保护策略研究

2021-07-05朱沁

上海电气技术 2021年2期

朱沁

上海电气输配电集团上海 200042

1 研究背景

随着电力电子设备要求的提高与功率半导体技术的快速发展,以碳化硅为代表的第三代宽禁带半导体正逐步实现市场化。与传统硅材料相比,碳化硅材料阻断电压高,高频特性好,导通电阻低,通态损耗小,在提高系统效率的同时有利于减小散热器、电感等设备的体积,从而提高功率密度,满足设备小型化、集成化的发展要求。在实际应用中,功率器件的可靠性问题,特别是短路问题不可忽视。与传统绝缘栅双极晶体管相比,碳化硅场效晶体管功率密度高,在短路条件下电流密度是前者的5～10倍。另一方面,碳化硅材料的沟道迁移率低,使导通碳化硅器件需更高的驱动电压,由此导致碳化硅器件的短路电流远高于同等级硅器件,且碳化硅器件的短路耐受时间更短。已有研究表明,在短路发生后的2～3μs时间内封锁开通脉冲,才能对碳化硅器件实现有效保护,这对短路检测和短路保护提出了更高的要求。

常见的短路保护方法有漏源电压检测法、电流传感器电流检测法、霍尔电流变化率检测法、栅极电荷检测法等。漏源电压检测法利用器件的输出特性,通过漏源电压有效反映漏极电流的大小,原理简单,成本低,在目前的驱动器检测中使用广泛。但是,传统的绝缘栅双极晶体管驱动器漏源电压检测法存在短路响应时间较长、门极电阻值需要调节、门极钳位不理想、短路电流过大等缺点,对功率密度高的碳化硅场效晶体管不具有通用性。对此,笔者对漏源电压检测保护电路进行分析,提出碳化硅场效晶体管短路保护策略。

2 传统绝缘栅双极晶体管短路保护策略

传统绝缘栅双极晶体管漏源电压检测保护电路如图1所示。当绝缘栅双极晶体管关断时,场效晶体管T1导通,电流源1被场效晶体管T1旁路,电容Ca的电位被钳在低位,比较器不翻转。当绝缘栅双极晶体管进入开通的过程中,场效晶体管T1截止,绝缘栅双极晶体管进入饱和导通,电流源1通过检测电阻Rm、二极管Dm、绝缘栅双极晶体管形成回路,比较器不翻转。当绝缘栅双极晶体管出现短路时,绝缘栅双极晶体管退出饱和区,漏源电压快速升高至直流母线电压,二极管Dm截止,电流源1向电容Ca充电,电容Ca的电位线性升高,达到阈值时比较器翻转,驱动器发出短路故障信号。

图1 传统绝缘栅双极晶体管漏源电压检测保护电路

传统绝缘栅双极晶体管短路保护策略有三个关键点。

(1) 关断电压尖峰。绝缘栅双极晶体管在正常情况关断时会产生一定的电压尖峰,但数值不会太高。若在交流器过载或桥臂短路时关断绝缘栅双极晶体管,则产生的电压尖峰会非常高,此时绝缘栅双极晶体管容易因电压尖峰而损坏。对此,常采用有源钳位电路,如图2所示。但是,这种有源钳位电路有明显的缺点。有源钳位电路工作在绝缘栅双极晶体管关断的瞬间,此时绝缘栅双极晶体管驱动器的最后一级三极管T3开通,有源钳位二极管的一部分电流Iz流入门极电阻,另一部分电流Ic流入三极管T1。三极管T1的阻抗低,导致有源钳位二极管Dz的电流增大,从而使短路电压持续升高,钳位效果不好。对于碳化硅场效晶体管而言,其开关速率比绝缘栅双极晶体管更快,输入电容更小,对系统中的杂散参数更为敏感,所以碳化硅场效晶体管短路时电压尖峰更高,传统有源钳位电路抑制电压尖峰的效果非常不明显。

图2 传统绝缘栅双极晶体管有源钳位电路

(2) 短路电流。通常短路电流为正常工作电流的5～10倍,在短路关断瞬间电流尖峰则更高。过高的电流尖峰容易造成绝缘栅双极晶体管损坏,加之米勒效应,过高的电流尖峰容易引起绝缘栅双极晶体管误开通。碳化硅器件的输入电容比同等级硅器件小,门极导通压降比同等级硅器件低,米勒效应更加显著。解决这一问题的通常方法是增加关断电阻,但与此同时会带来关断延时与关断损耗增加等问题。

(3) 短路响应时间。短路故障发生时,绝缘栅双极晶体管出现退饱和现象,绝缘栅双极晶体管的损耗会显著增加。在不影响绝缘栅双极晶体管性能的前提下,绝缘栅双极晶体管所能承受短路大电流的时间非常短,只有10μs。碳化硅场效晶体管所能承受短路大电流的时间则更短,只有3μs左右,这就要求漏源电压检测保护电路更加灵敏,响应时间更短。

3 碳化硅场效晶体管短路保护策略

针对传统绝缘栅双极晶体管短路保护策略关断电压尖峰高、短路电流大、短路响应时间长等问题,笔者对漏源电压检测保护电路进行分析,提出碳化硅场效晶体管短路保护策略。传统绝缘栅双极晶体管短路保护策略短路电流分析如图3所示。短路时,绝缘栅双极晶体管进入退饱和区,此时有源钳位二极管截止,短路检测总电流Itvs共有三个分支:Iac3流向集电极检测端ACL,与驱动器内部恒流源进行比较翻转后,发出故障信号;Iac2通过门极二极管流向绝缘栅双极晶体管的门极;Iac1通过门极二极管流向驱动器内的推挽三极管T2。

图3 传统绝缘栅双极晶体管短路保护策略短路电流分析

由短路电流分析可知,基于传统绝缘栅双极晶体管短路保护策略,希望总短路电流Itvs尽可能由Iac3和Iac2组成,但是由于关断时刻驱动器内部三极管T2开通时阻抗更低,大部分电流会经过关断电阻Roff成为Iac1,这样会导致两个问题。第一,由于三极管T2旁路了大部分Iac1,总短路电流Itvs只有更大,才能使Iac3达到检测电位点,这样会增大短路总电流,延长检测响应时间。第二,Iac1的分流使Iac2减小,进而使绝缘栅双极晶体管的门极电压降低,造成有源钳位效果不明显,关断电压尖峰得不到有效的抑制。

目前工程上采用的改进方法是增大关断电阻Roff。这种方法虽然能够在一定程度上提高有源钳位电路的效率,抑制短路关断电压尖峰,但是关断电阻增大与开关损耗低、开关速度快是相互矛盾的,而且增大关断电阻还会增加关断延时,因此很难满足碳化硅器件极短的关断时间要求。

笔者提出的碳化硅场效晶体管短路保护策略短路电流分析如图4如示。保护策略为,当碳化硅场效晶体管短路时,驱动器内部推挽三极管T5发出用于调节的200 MHz高电平脉冲,直到碳化硅场效晶体管完全关断为止。高电平脉冲的持续时间大约为500 ns。对短路电流进行具体分析:短路时,碳化硅场效晶体管进入退饱和区,此时有源钳位二极管截止,短路检测总电流Itvs分为三个分支Iac1、Iac2、Iac3;驱动器内部推挽三极管T5连续发出高电平脉冲,Iac3回路阻抗最低,短路电流主要流向漏源电压检测引脚;与此同时,高电平脉冲使碳化硅场效晶体管被部分打开,使关断电压尖峰得到抑制;Iac1与Iac3相比较小,可以忽略不计,即可忽略关断电阻Roff对短路电压、电流的影响。采用碳化硅场效晶体管短路保护策略,Iac3增大使短路响应时间缩短,实测短路响应时间最短可以达到1.8μs。与传统绝缘栅双极晶体管短路保护策略相比,碳化硅场效晶体管短路保护策略在短路响应时间、短路电流、关断电压尖峰等方面都有明显优势。

图4 碳化硅场效晶体管短路保护策略短路电流分析

通过试验证明,碳化硅场效晶体管短路保护策略对于电压尖峰的抑制优于传统绝缘栅双极晶体管短路保护策略。以CAS300M12BM2碳化硅模块为例,在直流母线电压为800 V,门极开通电压为15 V,关断电压为-5 V,开通关断电阻为2.5 Ω,短路响应时间为1.8μs时,短路电流为2 520 A,母线电压关断值为959 V。将门极开通电压升高至20 V,短路响应时间为2.445μs,此时短路电流为4 280 A,母线电压关断值为972 V。由此可见,采用碳化硅场效晶体管短路保护策略,短路电流即使增大为原来的2倍,母线电压关断值也不会有明显升高,对关断电压尖峰的抑制作用明显。

通过以上分析,碳化硅场效晶体管短路保护策略具有三方面优势。

(1) 具有更好的关断电压尖峰抑制效果,门极电阻不会影响有源钳位性能,提高了开关管的速率,并且降低了开关损耗。

(2) 在短路大电流条件下能够快速关断碳化硅场效晶体管,有效减小了米勒电流,从而削弱了米勒效应的影响。

(3) 最快可以在1.8μs内关断碳化硅场效晶体管,相比传统绝缘栅双极晶体管短路保护策略,短路响应时间更短,并且更安全。

4 试验验证

采用所提出的碳化硅场效晶体管短路保护策略,选用SIC1182K芯片进行试验,以验证碳化硅场效晶体管短路保护策略的有效性。

SIC1182K芯片原理如图5所示。

图5 SIC1182K芯片原理

在碳化硅场效晶体管开通过渡阶段及保持开通状态时,门极电压升高为高电平,检测漏源电压的引脚SNS表现为高阻态,漏源电压的检测功能被使能,此时可以对碳化硅场效晶体管的漏源电压进行检测。当漏源电压检测引脚SNS的电压高于阈值0.4 V时,认定发生短路故障,驱动器内部的推挽三极管发出用于调节的200 MHz高电平脉冲,直到碳化硅场效晶体管完全关断为止,时长约500 ns。在碳化硅场效晶体管关断过渡阶段及保持关断状态时,门极电压降低至关断低电平,检测漏源电压的引脚SNS表现为低阻抗,对漏源电压进行检测。当流入的电流达到535μA时,门极电压会升高,将碳化硅场效晶体管钳制在线性区,可以防止出现关断电压尖峰。

试验现场如图6所示,试验短路拓扑结构如图7所示,由罗戈夫斯基线圈测量碳化硅场效晶体管的输出漏极电流。

图6 试验现场

图7 试验短路拓扑结构

系统母线电压调节至800 V,碳化硅场效晶体管的正常电流为30 A,用短导线短路三极管Q2,驱动板上开通关断电阻设置为15 Ω,此时对三极管Q1

发出一个时长为2.5μs的高电平脉冲。观察门极电压、漏源电压检测引脚信号、故障信号、短路电流。

试验检测界面如图8所示,黄色通道为门极电压,绿色通道为漏源电压检测引脚信号,蓝色通道为故障信号,红色通道为短路电流。

图8 试验检测界面

对三极管Q1发出时长为2.5μs的高电平脉冲,门极电压开通三极管Q1。漏源电压检测引脚为高阻态,漏源电压的检测功能被使能,可以对碳化硅场效晶体管的漏源电压进行检测。漏源电压检测引脚发现短路故障,短路电流达到200 A,检测时间为1μs。驱动器内部的推挽三极管发出用于调节的200 MHz高电平脉冲,直到碳化硅场效晶体管完全关断为止,时长约500 ns。