在现代电力电子技术蓬勃发展的浪潮中，SiC功率器件凭借其独特优势，尤其是 SiC 功率 MOSFET，逐渐成为行业关注焦点。在工业传动领域，改用碳化硅 MOSFET 展现出诸多优点，它能在充电桩、太阳能逆变器等高频应用场景里大放异彩。相较于传统硅基器件，SiC MOSFET 能够在高达几百 K 赫兹的频率下运行，这为提升电力转换效率、缩减设备体积与重量带来了显著优势。然而，高频运行也带来了诸多挑战，门极驱动设计在实际应用中变得极为关键。同时，SiC MOSFET 在短路时会产生强大的短路电流，进而引发大量热量，严重威胁设备的安全性与稳定性。因此，实现快速短路检测与保护，合理控制电流关断速率，防止关断时产生过高电压尖峰，成为确保 SiC MOSFET 可靠运行的关键任务。本文将深入剖析 SiC MOSFET 的短路特性，详细介绍几种行之有效的短路保护方法，并通过实际测试验证其可行性，为相关领域的工程师与技术爱好者提供有价值的参考。
功率器件的短路模式多样，桥臂短路堪称其中最为严峻的一种。在桥臂短路模式下，电流会急剧上升，同时器件需承受母线电压，这对器件的性能与可靠性构成了极大考验。为深入了解这种短路模式下 SiC MOSFET 的行为，我们搭建了专门的测试平台。测试选用采用 TO - 247 4pin 封装的器件，在室温环境下开展。测试结果显示，在 400V 和 800V 两种母线电压下，当门极电压分别为 12V、15V、18V 时，短路电流呈现出不同变化规律。短路起始阶段，漏极电流迅速攀升至最高值。门极电压为 12V 和 15V 时，电流峰值分别达到 170A 和 270A。电流峰值过后，漏极电流显著下降，门极电压为 12V 和 15V 时分别降至 130A 和 180A。这是因为载流子迁移率会随温度升高而降低，从而导致短路电流下降。此次测试证实，TO - 247 封装的 4pin MOSFET 在 15V 门极驱动电压条件下，具备至少 3us 的短路耐受能力。短路脉冲结束后，可能出现两种情况：一是被测器件能安全关断，漏极电流降至 0A，设备恢复正常；二是当短路期间积累的能量超出器件极限，如门极驱动电压过高或母线电压过高，可能引发热失控，导致器件失效。例如，在母线电压 800V、门极电压 18V 的情况下，短路脉冲延长到 4us 时，器件便发生失效。此外，从测试数据可知，短路电流与门极电压呈正相关，更高的门极电压会导致更高的短路电流，进而引发更高的结温，使载流子迁移率进一步降低，所以高门极电压下 Id 的下降幅度更明显。母线电压对峰值电流影响相对较小，芯片受热后，800V 母线电压产生的能量更多，导致芯片结温高于 400V 母线电压的情况，因此峰值过后，800V 母线电压下的漏极电流下降更快，很快低于 400V 母线电压下的漏极电流。
面对 SiC MOSFET 短路时的复杂状况，业界研发出多种有效的短路检测及保护方法，常用的有 4 种。最直接的方式是使用电流探头或分流电阻检测漏极电流，这种方法能直观准确地获取电流数据。业界常用的检测饱和压降方法，当 MOSFET 正常导通时，漏极电压约 1 - 2V，短路发生时，短路电流迅速飙升至饱和值，漏极电压也上升至母线电压，一旦检测到的 Vds 高于预设参考值，即可判定被测器件进入短路状态。另一种典型的短路检测方案是监测 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，开关操作时，变化的电流会在电感两端产生电压 VeE，通过检测该电压可判断器件是否短路。此外，还可通过检测门极电荷特性实现短路检测。短路发生时，门极波形与正常开关波形有明显差异，其中一个显著特征是不存在米勒平台。这种检测方法无需消隐时间防止误触发，也不依赖寄生电感 LeE 的值。
在实际应用 SiC MOSFET 时，门极电压的选择至关重要。虽更高的驱动电压能降低 RDSON，但也会导致更高的短路电流。实际测试表明，对于特定器件，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，实际应用中需在导通特性、栅氧化层寿命及短路保护等方面综合权衡，综合多方面因素，推荐 15V 的正驱动电压。尽管 SiC MOSFET 与 IGBT 相比，短路耐受时间相对较短，但只要合理选择驱动 IC，精心设置外围电路，SiC MOSFET 在短路时仍能安全关断，从而构建起可靠的电力系统。随着技术的持续进步和研究的不断深入，SiC MOSFET 在高频应用领域将发挥更为重要的作用，为推动电力电子行业发展贡献更大力量。
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