碳化硅 (SiC) MOSFET 已成為硅 (Si) IGBT 的潛在替代產(chǎn)品，適用于光伏逆變器、車載和非車載電池充電器、牽引逆變器等各種應(yīng)用。與 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 具有更嚴(yán)格的短路保護(hù)要求。為了充分利用 SiC MOSFET 并確保系統(tǒng)穩(wěn)健運(yùn)行，需要快速可靠的短路保護(hù)電路。本文檔將討論 SiC MOSFET 和 Si IGBT 的不同特性，說明并比較三種短路保護(hù)方法，以及總結(jié) SiC MOSFET 的短路保護(hù)要求。TI 的 UCC217xx 系列是適用于 IGBT 和 SiC 且具有高級(jí)保護(hù)功能的單通道隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，可用于各種系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以保護(hù)開關(guān)免受各種類型的過流和短路故障的影響。出色的快速保護(hù)和高抗噪性可提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多功能性和系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

要最有效地使用 SiC MOSFET，需要充分了解相關(guān)器件特性。SiC MOSFET 和 Si IGBT 具有不同的特性，這對(duì)其各自的短路保護(hù)方案有影響。

通過 IGBT 與 SiC MOSFET 的比較結(jié)果可以看出，IGBT 具有相似的阻斷電壓和電流額定值，而 SiC MOSFET 具有更小的芯片面積，因此寄生電容小于 IGBT 并固有的開關(guān)速度有所增加。但是，較小的芯片面積意味著 SiC MOSFET 芯片的散熱能力較差。在短路情況下，浪涌電流會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果散熱能力不足，芯片可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)被損壞。由于芯片尺寸較小，SiC MOSFET 的浪涌電流能力低于 IGBT。

SiC MOSFET 和 IGBT 的輸出特性也不同。在正常導(dǎo)通狀態(tài)期間，IGBT 通常在飽和區(qū)域中工作。發(fā)生短路時(shí)，集電極電流 I_C 增加，并從飽和區(qū)域急劇轉(zhuǎn)換到活動(dòng)區(qū)域。集電極電流會(huì)自我限制，并不再受 V_CE 的影響。因此，IGBT 電流和功耗的增加會(huì)自我限制。

而在正常導(dǎo)通運(yùn)行期間，SiC MOSFET 在線性區(qū)域工作。在短路事件期間，SiC MOSFET 會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)域。與 IGBT 不同，SiC MOSFET 具有更大的線性區(qū)域。從線性區(qū)域到飽和區(qū)域的轉(zhuǎn)換發(fā)生在 V_DS 明顯升高的情況下。漏極電流會(huì)隨 Vds 的增加而不斷增加。器件會(huì)在達(dá)到轉(zhuǎn)換點(diǎn)之前被損壞。這些特性使得 SiC MOSFET 的短路保護(hù)與 IGBT 大不相同。

短路保護(hù)方法比較

短路保護(hù)對(duì)于確保系統(tǒng)穩(wěn)健并充分利用器件非常重要。合格的短路保護(hù)電路應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速檢測(cè)并關(guān)斷器件，而不會(huì)發(fā)生誤觸發(fā)。我們將分析和比較目前常用的三種短路保護(hù)方案，包括去飽和檢測(cè)、分流電阻檢測(cè)方案和 senseFET 電流檢測(cè)方案。圖 1 展示了去飽和檢測(cè)電路。

該電路由一個(gè)電阻器、一個(gè)消隱電容器和一個(gè)二極管組成。當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，電流源為消隱電容器充電并且二極管導(dǎo)通。在正常工作期間，電容器電壓被鉗位在器件的正向電壓。發(fā)生短路時(shí)，電容器電壓會(huì)快速充電至閾值電壓，從而觸發(fā)器件關(guān)斷。電容器充電時(shí)間稱為消隱時(shí)間，計(jì)算公式為：

對(duì)于 IGBT，去飽和閾值電壓通常設(shè)置在轉(zhuǎn)換電壓附近，因?yàn)橹箅娏鲙缀蹩梢允艿较拗?，以?IGBT 能夠承受更長的時(shí)間。設(shè)計(jì) SiC MOSFET 的去飽和電路時(shí)需要更多注意。為 IGBT 設(shè)計(jì)的消隱時(shí)間過長，無法保護(hù) SiC MOSFET。一方面，SiC MOSFET 的轉(zhuǎn)換電壓通常非常高，因此無法限制電流。當(dāng)推薦的短路關(guān)斷時(shí)間小于 2μs 時(shí)，去飽和閾值電壓需要設(shè)置為較低的值。另一方面，SiC MOSFET 的快速開關(guān)速度會(huì)在導(dǎo)通轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生噪聲。短路檢測(cè)時(shí)間應(yīng)設(shè)計(jì)得足夠長，以避免誤觸發(fā)，這使得 SiC MOSFET 的去飽和電路設(shè)計(jì)頗具挑戰(zhàn)性。

圖 2 展示了分流電阻檢測(cè)方案。電源環(huán)路中串聯(lián)了一個(gè)小電阻器來檢測(cè)電流。該方案簡(jiǎn)單明了，可在任何系統(tǒng)中靈活采用。為了保證信號(hào)精度和檢測(cè)時(shí)間，需要使用高精度電阻器和快速 ADC。該方法的缺點(diǎn)在于功率損耗。在大功率系統(tǒng)中，大電流會(huì)在分流電阻器上產(chǎn)生較大的功率損耗。在小功率系統(tǒng)中，需要更大的電阻來確保檢測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性，這也會(huì)在小功率應(yīng)用中產(chǎn)生損耗并降低效率。

圖 3 展示了 senseFET 電流檢測(cè)方案。senseFET 通常集成在電源模塊中，與主器件并聯(lián)，以減小器件電流。然后使用精確的分流電阻器測(cè)量減小后的電流。由于檢測(cè)到的電流與器件電流同步，因此檢測(cè)時(shí)間很短。由于 senseFET 集成在電源模塊中，寄生電感較小，因此產(chǎn)生的噪聲較低。盡管此方案有許多優(yōu)勢(shì)，但仍需要帶有 senseFET 的電源模塊，這會(huì)增加系統(tǒng)成本。

總結(jié)

SiC MOSFET 有望取代 IGBT，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊、更高效的系統(tǒng)。SiC MOSFET 的短路保護(hù)方案應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估：快速響應(yīng)時(shí)間、低功率損耗、高精度、高抗噪性和低成本。應(yīng)努力改善保護(hù)電路、柵極驅(qū)動(dòng)器和 PCB 布局，以提高整體性能。UCC217XX 系列具有出色的過流和短路保護(hù)功能。憑借較短的檢測(cè)時(shí)間和故障報(bào)告時(shí)間，柵極驅(qū)動(dòng)器可以在故障發(fā)生后立即關(guān)斷 IGBT 和 SiC MOSFET 模塊，并向隔離式輸入側(cè)報(bào)告故障。UCC217XX 系列支持上述所有三種檢測(cè)方案，這使得該驅(qū)動(dòng)器適用于各種系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該驅(qū)動(dòng)器可以針對(duì)過流和短路故障提供可靠的保護(hù)，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。