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基于镜像电流的大功率SiC功率模块过流和短路保护方法

发布日期:2021-10-22 浏览次数:1336 来源:三菱电机半导体作者:网络
 
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iD,th。在t< 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RG、RRTC和二极管DRTC组成的分压网络来降低栅极电压VGS。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VQ1,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Ciss通过无源放电电阻和RRTC放电,最终使VGS = 0V。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RG组成,栅极电阻RG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RRTC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iSC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Coss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fres。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VDS、VGS和电流iD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(VDC=850V)


图6 振荡抑制关断方法(VDC=850V)

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Lσ= 4.5uH。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VDC = 850V,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Lsc,high=1~5uH。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,iD<8iD,nom = 9.6 kA。另一个限制是短路耐受时间tw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Emax =15。

图9 FMF1200DX1-24A SCSOA

图10 (a)和(b)是VDC =850V时低回路电感短路的测量结果,图10 (c)是TJ=150℃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Epulse≈1/4Emax,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VDS小于1 kV,因此也不超过SCSOA。图10 (c)为TJ = 150℃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) VDS峰值电压;(c) TJ=150℃时的波形

图11为VDC=850V时的高回路电感短路测量结果,图11(c)为TJ=150℃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) VDS峰值电压;(c) TJ=150℃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Coss和负载电感之间的振荡。

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