SiC MOSFET短路特性及保护电路研究

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碳化硅(Silicon Carbide,SiC)材料具有耐压高、开关速度快、临界击穿电场大、工作频率高、耐高温等特点,在对电力电子设备的效率和功率密度有更高要求的系统中,以SiC材料制备的功率器件成为更优的选择。但SiC由于其较小的芯片面积、较高的电流密度以及较薄的栅氧化层,与硅材料相比,其短路承受能力会更弱。为了让碳化硅器件能更加安全可靠地在电力电子设备中运行,对其短路特性及其故障保护电路的研究具有重要的意义。本文对SiC MOSFET的短路特性和保护电路进行研究,首先对SiC MOSFET器件特性进行分析,针对其器件特性进行了相应的驱动电路设计,确定了驱动电路各部分的参数。考虑到实际应用场合中存在的问题,所设计的驱动电路具有信号与电气隔离、欠压保护、短脉冲信号抑制、故障检测和短路保护功能。在此基础上,搭建短路测试平台,深入分析了不同门极驱动电阻RG、栅源间电容CGs和检测盲区时间Tblank等因素对SiC MOSFET短路特性的影响,提出了基于退饱和检测的改进软关断保护策略,并完成了电路设计。最后对设计的故障保护电路进行实验验证,与传统关断方式相比,采用本文改进的软关断方式能够有效地降低器件短路关断电压过冲,减缓短路电流下降速率。在关断过程中,改进的软关方式的电流变化率为1.04A/ns,关断电压尖峰为658V,与传统的关断方式相比,电流变化率减小了1.28A/ns,过压尖峰降低了128V。本文的研究结果有助于认识SiC MOSFET的基本短路特性并为SiC MOSFET故障保护电路设计提供了一定指导思路。
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