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。
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Ciss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。
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。
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。
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。
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。
