【论文】基于镜像电流的大功率SiC功率模块过流和短路保护方法-icspec

【论文】基于镜像电流的大功率SiC功率模块过流和短路保护方法

来源:三菱电机半导体发布时间:2021-10-22

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作者：

Fabian Sommer¹, Nils Soltau², Fabian Stamer¹, Nikolas Menger¹, Shiori Idaka², Marc Hiller¹

1：德国卡尔斯鲁厄理工学院

2：三菱电机欧洲有限公司

摘要

本文针对应用在大功率双有源桥(DAB)中的1200V/1200A SiC MOSFET，提出了一种基于镜像电流检测的快速过流和短路保护方法。结果表明，无论对于桥臂直通引起的低回路电感短路（也称为短路故障类型1或者硬开关短路），还是对于负载故障引起的高回路电感短路，这种保护方法都是可行的。此外，还分析了不同结温下SiC MOSFET的短路特性。实验结果证明，采用该方法能保证SiC MOSFET在短路发生后始终在短路安全工作区(SCSOA)内运行。

1.引言

与传统硅器件相比，碳化硅(SiC)功率半导体具有多个优势。其中，SiC材料具有10倍于Si材料的击穿场强，因此可以制作更薄的芯片，从而带来更低的通态损耗[1]。此外，SiC MOSFET的开关速度更快，开关损耗也相对较低。因此，SiC功率模块适用于更高效和紧凑的电力电子变换器[2]。

由于芯片比较薄及没有去饱和效应，与IGBT相比，SiC MOSFET的短路更难处理。Si IGBT通常允许短路耐受时间为10us，而SiC功率器件的耐受时间只有几us [3]。并且，其短路关断电流变化率比正常工况高很多，所以应考虑采用软关断来抑制电压尖峰，以确保在SCSOA内运行。然而，软关断会进一步增加关断损耗。同时，必须考虑不同的短路场景：例如低回路电感短路和高回路电感短路，以及硬开关故障(HSF, Hard Switching Fault)，也称为1类短路。对于HSF, MOSFET开通后直接进入短路状态[4]。为了克服短路应用障碍，三菱电机研究的SiC MOSFET模块提供了所谓的实时电流控制(RTC，Real Time Current Control )功能，一个基于镜像电流的过流检测，在短路发生时限制短路电流。

2.基于镜像电流检测及RTC电路

为了检测过流和短路，在MOSFET芯片上集成了镜像电流源，其电流与总源极电流成一定比例，这个缩小的电流被用来检测短路。这种用于短路检测的镜像电流概念之前已经应用于Si和SiC器件[5][6][7]。与最先进的短路检测方法相比，比如检测退饱和压降技术[8][9]，基于镜像电流的解决方案可以检测1类和2类短路，同时保护速度显著加快。为了减少器件关断应力，镜像电流检测可以与RTC电路相结合使用。一旦检测到短路，RTC电路立即降低器件内部的栅极电压，以限制短路电流上升，从而简化发生短路时关断电路的设计。

RTC和驱动电路的简化原理图如图1所示。短路情况下的简化波形如图2所示。在t=t₀时发生短路，电流以比通常高得多的变化率增加。在t=t₁时达到短路保护阈值i_D,th。在t₁< t < t₂期间，检测电路对短路做出反应。在t₂< t < t₃期间，双极晶体管Q1被检测电路开通，并根据由R_G、R_RTC和二极管D_RTC组成的分压网络来降低栅极电压V_GS。此时栅极电压如式(1)所示，通常在3~6V的范围内。

图1 简化的栅极驱动器和RTC电路

图2 简化的RTC短路保护波形

栅极电压的降低使MOSFET进入有源区并限制了短路电流，如图2的 t₂< t < t₄之间。此外，晶体管Q1开启使MOSFET反馈引脚SC的电压降低到V_Q1，故障反馈电路可以检测到该信号并对故障做出反应。从t₃到t₄的反应时间应小于3us，为栅极驱动器的反应时间。

在t = t₄时，栅极驱动器关闭输出，栅极电容C_iss通过无源放电电阻和R_RTC放电，最终使V_GS0V。此时，MOSFET关闭，电流下降至零。同时故障反馈信号输入到上级控制系统，在t = t₅时关闭整个变流器以达到安全状态。

本文下面给出了使用三菱电机内置RTC电路的1200V/1200A全SiC模块FMF1200DX1-24A的实际测试结果。

3. 栅极驱动电路

如图1所示，栅极驱动电路主要分为三个部分：功率部分、故障反馈部分、故障关闭以及与上级控制的通信接口。功率部分由MOSFET组成的推挽功率放大电路和栅极电阻R_G组成，栅极电阻R_G需要根据公式(1)并根据MOSFET工作时的开关波形来确定。该栅极驱动器的通信接口由控制信号和故障反馈信号组成，采用光纤，以减少变流器应用中的电磁干扰。故障反馈和关断电路的简化电路图如图1所示。正如在前一章中讨论的，SC引脚在正常工况时是高电平，在故障情况下是低电平。该故障信号输出时，先经过滤波电路，以防止由于电磁干扰造成的误动作，如果必要的话采用延时电路来增加关断时间以减少元件关断应力。将滤波后的故障信号与设定的参考电平用比较器电路进行比较。比较器的输出可以使能或禁用驱动器功率部分，当故障信号输入时，功率级输出呈高阻态，正如前一章所提到的，栅极电容C_iss通过RTC电阻R_RTC和高阻抗无源放电电阻放电。同时一个反馈信号被发送到上级控制端，进而使变流器停机。在故障发生后，所有驱动输出信号都被设置为逻辑低电平，以防止发生更严重的故障。驱动器PCB电路图如图3所示。

图3 带故障反馈和软关断的FMF1200DX1-24A半桥电路驱动器

4.高回路电感情况下变流器短路关断

当一个MOSFET触发短路保护时，变流器应切换至安全状态，以防止进一步的损坏。当发生高回路电感情况下的短路，最简单的方法是关闭全桥电路中所有的MOSFET，如图4左侧所示，此时续流电流通过直流回路，回路中的电感会串联到短路回路中。当短路电流i_SC至过零点，电感的能量持续降低，直到电感磁场中没有剩余的能量，MOSFET体二极管不再导通。由于MOSFET的电容C_oss被充电，如图4所示，导致负载电感和电容之间的振荡，产生公式(2)中计算的谐振频率f_res。图5显示了变流器一般关断的测量结果。在电流过零点之后，观测到MOSFET的电压V_DS、V_GS和电流i_D都在振荡。在最坏的情况下，这些振荡会对栅极电压产生电磁干扰，并可能导致MOSFET的失效或误开通。

图4 变流器关断后电流路径（左侧：一般关断方法；右侧：震荡抑制关断方法）

图5 一般关断方法（V_DC850V）

图6 振荡抑制关断方法（V_DC850V）

为了避免这个问题，可以打开一个没有故障信号且未受影响的MOSFET来提供续流回路，以避免输出电容和负载电感之间发生振荡。如图4右边所示，在这种情况下，MOSFET T2检测到短路后关闭，其他所有MOSFET也关闭，以防止额外的故障。2 us后，再次开通MOSFET T1并提供续流路径。此延迟时间是必要的，目的是防止再次检测到短路以及缓解器件应力。同样工况下的测试结果如图6所示，可以看到，在电流下降至零后没有振荡现象，变流器处于安全状态。

5.实验装置

为了测量典型应用中高回路电感和低回路电感短路，使用如图8所示的全桥拓扑。这是一个常见拓扑，应用于各类隔离DC/DC变换器，如DAB或谐振LLC变换器。负载由中频变压器(MFT)组成，中频变压器的二次侧短路。直流母排和MFT本身组成的杂散电感经测量为L_σ4.5uH。为了测量不同的结温，使用了油冷却散热器。设置直流母线电压V_DC850V，短路电流为5kA，结温高达150℃。该测量设置的参数是根据500kW DAB的要求进行设置的。DAB测试装置如图7所示。

测试了两种不同回路电感的短路情况。第一种是高回路电感短路，这是由系统负载侧的绝缘故障造成的。这种短路的一个例子是MFT绕组内的绝缘故障，短路部分在变流器之外。这导致短路回路的高电感，因此，产生的电流变化率相对较小。在大功率DAB应用中，这种短路的典型电感值L_sc,high1~5uH。第二种短路是由半桥桥臂直通引起的低回路电感短路。可能是控制器故障或电源模块故障导致。在这种情况下，回路电感为nH级，会产生一个非常大的电流变化率。这两种情况可以通过MFT二次绕组短路和半桥电路内部同时开通两个MOSFET来模拟。

图7 500kW DAB测试装置

图8 测量装置等效电路图

6. 实验结果

为了评估所提出的短路检测和保护方法，使用了前一章中所述测试装置。将结果与图9所示的SCSOA进行比较。最重要的影响因素包括最大漏极短路电流，根据选用的模块，i_D<8i_D,nom9.6 kA。另一个限制是短路耐受时间t_w须小于3us。最后一个重要因素是关断过程的最大能量不应超过E_max15J。

图9 FMF1200DX1-24A SCSOA

图10 (a)和(b)是V_DC850V时低回路电感短路的测量结果，图10 (c)是T_J150℃时的测量结果。图10 (a)显示了短路脉冲的能量，测量到的能量E_pulse≈1/4E_max，明显低于SCSOA定义的最大短路能量。此外，图10 (b)所示的峰值电压V_DS小于1 kV，因此也不超过SCSOA。图10 (c)为T_J150℃时的实验波形。图中黑色标记部分与图2的理论波形相对应。在检测到短路后，驱动器的反应时间小于250ns， 2us后安全关闭，因此不超过SCSOA。由于反应时间非常短，图2所示的栅极电压在t₃和t₄之间的理论平台没有出现。同时峰值电流也低于SCSOA定义的最大电流。

（a）

（b）

（c）

图10（a) 850V低回路电感短路能量；(b) V_DS峰值电压；(c) T_J150℃时的波形

图11为V_DC850V时的高回路电感短路测量结果，图11(c)为T_J150℃时的测量波形。可以观察到，对于高回路电感短路，每个参数都在图9所示的SCSOA中。因此，无论是高和低回路电感短路，都可以安全可靠关断且不超过SCSOA。

（a）

（b）

（c）

图11 (a) 850V高回路电感短路能量；(b) V_DS峰值电压；(c) T_J150℃时的波形

7.结论

本文介绍了一种基于镜像电流的过流和短路快速检测与保护方法。并采用1200V/ 1200A SiC MOSFET模块的500kW双有源桥(DAB)实验设置上进行了短路关断测试。同时研究了两种短路类型，即DAB应用中可能发生的低回路电感和高回路电感短路。两种测试结果均显示功率模块的关断过程未超过短路安全工作区，且模块未因短路而损坏。此外，还提出了一种变流器关断策略，以防止在负载短路时MOSFET输出电容C_oss和负载电感之间的振荡。

参考文献

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