摘要

在光伏逆變器、車載充電器及牽引逆變器等應用領域中，由第三代半導體材料碳化硅（SiC）制成的SiC MOSFET正逐步替代由傳統硅基（Si）制成的Si IGBT。這是因為碳化硅（SiC）材料相比傳統硅（Si）材料具有更優越的物理特性，使得SiC MOSFET在高功率、高頻率應用中表現更優，能顯著提升設備效率并實現輕量化的系統設計。但SiCMOSFET和Si IGBT的器件特性存在差異——兩者在短路故障時的短路耐受能力不同，這對保護電路的響應速度提出了更高要求。

本篇應用筆記從SiC MOSFET的器件特性出發，分析其與Si IGBT在故障響應上的本質差異的原因，并提出針對性保護策略。最后結合納芯微自主研發的柵極驅動技術，詳細闡述去飽和檢測的設計方法。

01SiC MOSFET短路特性介紹

在電力電子的許多應用中，短路故障是常見的工況，這就要求功率器件具備短時耐受能力，即可以在一定的時間內承受短路電流而不發生損壞。Si IGBT 通常的短路能力為5-10μs，而SiCMOSFET的短路耐受時間普遍較短（一般為2μs左右）。

Si IGBT與SiC MOSFET的短路能力的差異主要體現在以下兩方面：

1）在相同阻斷電壓和電流額定值的情況下，SiC材料具有較高的臨界擊穿場強，基于這一特性，SiC MOSFET的芯片面積相較于Si IGBT更小，能實現更高的電流密度，但這也導致發熱更為集中。

2）SiC MOSFET 與Si IGBT的輸出特性存在差異。如圖1.1所示，IGBT通常情況下在飽和區工作；當發生短路時，集電極電流IC迅速增加，從飽和區急劇轉為線性區，且集電極電流不受VCE電壓的影響，因此短路電流以及功耗增加會受到限制。而對于SiC MOSFET，如圖1.2所示，它在正常工作期間處于歐姆區；當發生短路時，從歐姆區進入飽和區的拐點并不顯著，且飽和區電流隨VDE電壓升高而增大，導致器件的電流以及功耗增加不受限制。因此SiC MOSFET的短路保護設計尤為重要。

圖1.1 IGBT輸出特性曲線

圖1.2 SiC MOSFET輸出特性曲線

02SiC MOSFET短路保護方法

短路保護對于保證系統穩健運行以及充分發揮器件性能非常重要，合格的短路保護措施不僅能夠快速響應并關斷器件，還能有效避免誤觸發情況的發生。常見的短路保護方式分為電壓檢測和電流檢測兩種類型：電流檢測通常借助分流電阻或者SenseFET的方式；電壓檢測采用退飽和保護，也就是DESAT保護。以下是對這三種短路保護方法的介紹，并闡明了各自的優缺點。

2.1.分流電阻檢測

圖2.1顯示了一種常見的電流檢測方案，在電源回路的MOSFET源極串聯一個檢測電阻ROC，當電流流過電阻ROC會產生一個電壓VOC，如果檢測得到的電壓大于邏輯門電路的閾值電壓VOCTH，則會產生一個短路信號OC Fault，與此同時驅動器關閉OUT輸出。

圖2.1 過流檢測電路1

分流電阻檢測電流的方案簡單明了、易于理解，具備出色的通用性，可以在任何系統中靈活應用。為了保證檢測信號的精準度，需要選擇高精度電阻以及快速響應的ADC電路；同時為了防止保護信號誤觸發，需要在比較器前加入適當的濾波電路。該方案可以采用電阻電容以及比較器的分立元器件搭建實現，也可以選擇集成OC保護功能的驅動IC芯片。

針對PFC電路，可對電流檢測電阻的位置進行調整，圖2.2展示了一種負壓閾值過流檢測的方法。以Boost-PFC這類電路結構為例，在功率的返回路徑中，電流檢測電阻ROC檢測得到的電壓為負電壓，當檢測電壓小于設置的閾值電壓VOCTH時，保護信號將被觸發，此時驅動器輸出引腳會輸出關斷信號。

圖2.2 過流檢測電路2

這種方案的缺點在于電阻帶來額外的功率損耗，在大功率系統中，大電流流過檢測電阻會產生較大的功率損耗；而在小功率系統中，則需要更大的電阻來保持檢測信號的準確性，這同樣也會影響系統效率。同時，如圖2.1所示的方案，檢測電阻帶來的壓降對功率器件的柵-源極電壓造成影響，此外，圖2.2所示的方案還存在拓撲的局限性。

2.2.帶電流檢測的功率器件

如圖2.3所示，有一種帶Sense功能的功率器件，其中，SenseFET集成在功率模塊內，與主器件并聯。通過使用高精度的分流電阻，可對SenseFET的電流進行監測，如此一來，檢測到的電流與器件電流同步。

圖2.3 SenseFET

集成在功率模塊內部的SenseFET，因寄生電感小，受到噪聲的影響小。但是帶SenseFET的電源模塊存在明顯劣勢：一方面，其成本較高，會增加系統整體成本；另一方面，市場上這類器件的種類較少，可替代性較低。

2.3.退飽和檢測

2.3.1.DESAT功能介紹

退飽和檢測的本質是電壓檢測，當器件發生短路時，器件漏極和源極兩端的電壓會異常升高，因此可以通過比較器件正常導通時和短路時的漏源極電壓作為短路判斷的依據。

當器件開通且正常工作時，SiC器件兩端的電壓可能在1V左右，芯片內部集成的電流源IDESAT通過DESAT引腳，流經電阻RDESAT和高壓二極管DDESAT至MOSFET的漏極，此時電容CBLANK兩端的電壓為SiC MOSFET漏源極壓降、高壓二極管DDESAT兩端壓降和電阻RDESAT兩端壓降之和。

圖2.4

當短路發生時，SiC MOSFET的漏源極電壓迅速上升，高壓二極管DDESAT反偏，內部電流源IDESAT通過DESAT引腳給外部電容CBLANK充電；當電容CBLANK兩端電壓超過內部比較器的閾值電壓VT(DESAT)，就會觸發短路保護。

納芯微電子（簡稱納芯微，科創板股票代碼688052）是高性能高可靠性模擬及混合信號芯片公司。自2013年成立以來，公司聚焦傳感器、信號鏈、電源管理三大方向，為汽車、工業、信息通訊及消費電子等領域提供豐富的半導體產品及解決方案。

納芯微以『“感知”“驅動”未來，共建綠色、智能、互聯互通的“芯”世界』為使命，致力于為數字世界和現實世界的連接提供芯片級解決方案。