Driving a Silicon Carbide Power MOSFET with a fast Short Circuit Protection
Wang Heng, Zhao Jia, Sun Huibo, Zheng Ziqing
（原文发表在IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications in Asia 2018，以下内容为部分节选中文翻译版）
摘要：SiC功率MOSFET由于其出色的物理特性，在充电桩及太阳能逆变器等高频应用中日益得到重视。因为SiC MOSFET开关频率高达几百K赫兹，门极驱动的设计在应用中就变得格外关键。因为在短路过程中SiC MOSFET的高短路电流会产生极高的热量，因此SiC MOSFET需要快速的短路检测与保护。同时，电流关断速率也需要控制在一定范围内，防止关断时产生过高的电压尖峰。这篇文章探讨了几种能够实现快速短路保护的方法，并且通过实际测试验证了可行性。
SiC MOSFET短路特性
功率器件有多种不同的短路模式，其中最严重的一种是桥臂短路，在这种短路模式下，电流迅速上升，同时器件承受母线电压。我们需要首先对这种短路模式下的MOSFET的行为进行研究。
短路测试平台如图1所示。测试驱动板由英飞凌专为单管SiC MOSFET研发。待测器件为TO-247 4pin封装的IMZ120R045M1。测试在室温下进行。
图1 SiC功率MOSFET短路特性测试平台及测试线路
图2 为400V和800V两种母线电压下，且门极电压在12V,15V,18V情况下的短路电流波形。短路起始阶段，漏极电流快速上升并且到达最高值，在门极电压分别为12V和15V情况下，电流峰值分别为170A和270A。电流峰值过后，漏极电流开始显著下降，门极电压为12V和15V的情况下分别为130A和180A。这是因为载流子迁移率随温度的上升而下降，从而短路电流下降。测试波形证实了TO-247封装的4pin CoolSiC™ MOSFET 在15V门极驱动电压条件下，拥有至少3us的短路能力。短路脉冲结束后，可能发生两种情况：1）被测器件安全关断，漏极电流降至0A。2）短路期间积累的能量超出了器件极限，比如门极驱动电压过高或者母线电压过高，都可能引起热失控，导致器件失效，如图2(b)中绿线所示。这条曲线表示的是母线电压800V，门极电压为18V的情况下，在短路脉冲延长到4us时，器件发生失效。
图2 IMZ120R045M1在不同门极电压下的短路电流波形(a) Vdc=400V (b)Vdc=800V
从图2中我们可以看出，短路电流与门极电压成正相关，更高的门极电压导致更高的短路电流，因此引起更高的结温与更低的载流子迁移率。因此高门极电压下的Id下降幅度会更大。
图3显示了IMZ120R045M1 在15V门极电压，以及400V及800V母线电压下的短路电流。从中可以看出，母线电压对峰值电流影响很小。当芯片开始被加热之后，800V母线电压会产生更多的能量，导致芯片结温高于400V母线电压的情况，因此VDC=800时，漏极电流下降更快，峰值过后很快低于400V VDC。
图3 IMZ120R045M1在不同母线电压下的短路电流
SiC MOSFET 短路保护方法
目前有4种常用的短路检测及保护方法，其原理示意图如图4所示。其中最直接的方式就是使用电流探头或者分流电阻检测漏极电流。业界最常用的方法是检测饱和压降。MOSFET正常导通时漏极电压约为1~2V。短路发生时，短路电流会迅速上升至饱和值，漏极电压也会上升至母线电压。一旦测试到的Vds高于预设的参考值，被测器件会被认为进入短路状态。
另一个典型的短路检测解决方案是监测di/dt. 在高功率IGBT模块中，开尔文发射极与功率发射极之间存在寄生电感。在开关操作中，变化的电流会在电感两端产生电压VeE。通过检测这个电压，即可以判断器件是否进入短路状态。
导通状态下，Vds检测需要一定的消隐时间防止误触发。另外，基于di/dt的检测方式依赖于寄生电感LeE的值。除此之外，短路检测还可以通过检测门极电荷的特性来实现。短路发生时，门极波形不同于正常开关波形，不存在米勒平台。这种方法不需要消隐时间，也不依赖LeE.
图4 4种SiC MOSFET的短路检测及保护方法
快速短路保护电路搭建及测试波形
a) 测试平台搭建
SiC MOSFET 短路保护电路通过英飞凌Eicedriver 1ED020I12-F2实现。1ED020I12-F2采用无磁芯变压器技术来隔离信号，短路保护通过退饱和检测功能实现。1ED020I12-F2可以提供高达2A的输出电流，因此可以直接驱动SiC MOSFET，无需推挽电路。
评估板通过隔离变压器给高边和低边分别提供隔离电源。评估板上有吸收电容，用来抑制电压过冲。待测器件通过一根短线缆实现桥臂短路，杂散电感预估为100nH.
为了实现快速保护，使用66pF的电容将消隐时间设定在约2us，触发电平由driver IC内部设置并固定在9V。另外，一个2~3kΩ的电阻Rx也可以用来加速短路的识别速度，但本次测试中没有使用。
图5 基于IMW120R045M1 (TO-247-3pin)与1ED020I12-F2的短路测试平台
b) 测试波形与结果
在测试波形中有4路信号，CH1是1ED020I12-F2 desat引脚处测得的电压信号，CH2是由罗氏线圈PEM CWT-3B测得漏极电流。CH3与CH4分别为漏源电压（Vds）与栅源电压(Vgs)
测试波形如图6所示。短路电流初始尖峰值达到250A。1ED020I12-F2’s DESAT引脚电压在短路开始后呈线性上升，在大约2us时到达9V，然后驱动芯片开始关断输出，将驱动电压下拉至负值，SiC MOSFET成功地在2.5us之内成功关断。
图6 基于IMW120R045M1 (TO-247-3pin)与1ED020I12-F2的短路测试波形
结论
在实际应用中，门极电压对于驱动SiC MOSFET来说非常重要，尽管更高的驱动电压可以带来降低RDSON的好处，但是较高的门极电压会带来更高的短路电流。通过测试我们可以看到，对于IMZ120R045M1，在母线电压800V，栅极电压18V，短路脉冲4us的情况下，器件会出现短路失效。因此，出于导通特性与栅氧化层寿命及短路保护的折衷考虑，我们依然推荐15V的正驱动电压。
SiC MOSFET 与IGBT相比短路耐受时间比较短。但是，选择合适的驱动IC及外围电路设置，SiC MOSFET依然能在短路时安全关断，从而构建非常牢固与可靠的系统。
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