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3）電流傳感器

電流傳感器廣泛應(yīng)用在電力設(shè)備電流測量中，如霍爾器件、羅氏線圈等，其原理簡單且可靠性高，功率回路和測量回路具備電氣隔離，但帶寬較低、體積較大，不適用于高頻、高功率密度的 SiC MOSFET短路保護應(yīng)用。為此，Wang Jun 等設(shè)計了一種適用于SiC MOSFET 模塊短路保護的 PCB 型羅氏線圈，如圖 10 所示。不僅方便安裝，高達 200MHz 的帶寬可以對 SiC MOSFET 模塊漏極電流進行準確的采集，為 SiC MOSFET 模塊短路保護提供可靠保障。

然而，為了提高測量寬帶獲得更加精確的漏極電流，在 PCB 型羅氏線圈設(shè)計中需要增加線圈匝數(shù)。但是由于 SiC MOSFET 應(yīng)用在高頻開關(guān)工況，增加 PCB線圈匝數(shù)會嚴重影響其抗擾動性能，可能導致短路保護電路誤觸發(fā)。此外，PCB 型羅氏線圈的信號還原電路實現(xiàn)較為復(fù)雜，嚴重阻礙了該方法的應(yīng)用。

4）分流器檢測

分流器檢測通常在功率回路串入電阻、同軸分流器等線性元件來進行短路保護。在 SiC MOSFET 的短路保護中通常采用精度更高、響應(yīng)速度更快且可靠性較高的同軸分流器。但是隨著功率回路電流的增加，同軸分流器所帶來的功耗以及高昂的成本不容忽視。為了解決該缺陷，北卡羅來納州立大學 B. J. Baliga 教授團隊將 Si MOSFET 串入SiC MOSFET 回路作為“分流器”，基于 Si MOSFET 非線性特性的短路保護電路如圖 11 所示，利用 Si MOSFET 漏極電壓和漏極電流成正比的特性，將漏極電壓作為 SiC MOSFET 短路檢測的依據(jù)。此外，通過給 Si MOSFET 柵-源極施加不同的偏置電壓，可以靈活調(diào)整其飽和電流來限制短路電流，防止 SiC MOSFET 短路損壞，但是 Si MOSFET 選型十分關(guān)鍵，在大電流應(yīng)用場合，較高的損耗與成本使得該方法應(yīng)用受到限制。

5）柵極電壓檢測

由于 HSF 發(fā)生時，SiC MOSFET 的柵極電荷值QG 遠小于正常開通過程中柵極電荷值，導致 HSF發(fā)生時柵極電壓 VGS 大于正常開通過程，柵極電壓檢測原理如圖 12 所示，因此通過檢測 SiC MOSFET開通過程中柵極電壓可以間接檢測 HSF。該方法優(yōu)點是無檢測盲區(qū)。然而，SiC MOSFET 的密勒電容較小，HSF 發(fā)生時柵極電壓特征差異不明顯，采用該方法容易造成保護電路誤觸發(fā)。其次，F(xiàn)UL時 SiC MOSFET 柵極電壓已經(jīng)為最大正向電壓，因此該方法不能對 FUL 進行檢測。

3.2 短路關(guān)斷策略

當檢測電路檢測到短路故障后應(yīng)快速關(guān)斷 SiC MOSFET。然而，快速的關(guān)斷勢必會引起較高的關(guān)斷過電壓，導致 SiC MOSFET 因過電壓而損壞。防止關(guān)斷過電壓的常用方法就是采用軟關(guān)斷技術(shù)，常見短路軟關(guān)斷技術(shù)有兩種：

（1）大電阻關(guān)斷。大電阻關(guān)斷是在檢測到短路后，利用大阻值柵電阻來減緩關(guān)斷電流下降速率從而實現(xiàn)關(guān)斷過電壓的抑制。然而，大電阻關(guān)斷在抑制關(guān)斷過電壓的同時也致使關(guān)斷延遲時間增大，導致 SiC MOSFET 不能及時關(guān)斷。為此，文獻提出基于多級柵電阻的軟關(guān)斷策略，在關(guān)斷過程中采用不同柵極電阻關(guān)斷 SiC MOSFET 短路電流，從而兼顧了 SiC MOSFET 短路關(guān)斷過電壓與關(guān)斷延遲時間，但大電阻關(guān)斷可能導致 SiC MOSFET因關(guān)斷損耗過大而發(fā)生失效。

（2）降柵壓關(guān)斷。降柵壓關(guān)斷是在檢測到短路后，先緩慢降低柵極電壓，使 SiC MOSFET 維持導通狀態(tài)。在較低柵極電壓下，SiC MOSFET 漏極電流會被限制在較低水平，經(jīng)過一定延遲后，再采用負壓關(guān)斷短路電流。該方法通過緩降柵壓抑制短路電流，從而降低短路關(guān)斷過電壓，但是該方法需要多種柵極電壓，電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜。

4 結(jié)論

通過上述分析可知，SiC MOSFET 高速開關(guān)特性以及現(xiàn)有工藝技術(shù)導致其短路承受能力較弱，而現(xiàn)有短路保護技術(shù)普遍存在響應(yīng)速度慢、易誤觸發(fā)、電路復(fù)雜以及成本高等缺點，這些問題嚴重威脅SiC MOSFET 的安全運行，阻礙 SiC MOSFET 的廣泛應(yīng)用。因此，未來的挑戰(zhàn)與研究課題主要涉及以下幾個方面：

1）SiC MOSFET 短路承受能力提升。柵極可靠性問題嚴重制約著 SiC MOSFET 為代表的寬禁帶半導體器件短路承受能力。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，新的器件結(jié)構(gòu)、新的制造工藝和新興材料的研發(fā)將是提升其柵極可靠性、改善短路承受能力的關(guān)鍵所在。

2）SiC MOSFET 的短路檢測技術(shù)。相比于IGBT，SiC MOSFET 開關(guān)速度更快，短路承受能力較弱，電磁干擾更嚴重。因此，現(xiàn)有短路檢測方法已不能滿足 SiC MOSFET 應(yīng)用中短路檢測的技術(shù)需求，研發(fā)適用于 SiC MOSFET 的快速、可靠短路檢測技術(shù)將是未來研究方向之一。

3）SiC MOSFET 短路關(guān)斷策略。SiC MOSFET短路承受能力弱，短路時需要快速關(guān)斷短路電流，而較快的電流變化很可能導致 SiC MOSFET 因過電壓擊穿而損壞。傳統(tǒng)短路軟關(guān)斷策略不能權(quán)衡關(guān)斷損耗和關(guān)斷過電壓之間關(guān)系，很可能造成SiC MOSFET在軟關(guān)斷過程中發(fā)生熱逃逸或柵極失效。因此，權(quán)衡關(guān)斷損耗和過電壓的 SiC MOSFET 短路關(guān)斷策略也將是未來研究課題之一。

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SiC MOSFET 短路保護技術(shù)綜述（下）