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一种基于Vgs与Vds联合检测的SiC MOSFET短路保护方法
A Short-Circuit Protection Method for SiC MOSFET Using Combined Vgs and Vds Detection
| 作者 | Jiaming Xie · Jinxiao Wei · Hao Feng · Binbing Wu · Li Ran |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年4月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 短路保护 碳化硅MOSFET vgs和vds监测 硬开关故障 负载下故障 |
语言:
中文摘要
本信函提出了一种简单可靠的短路保护（SCP）方法，称为 $v_{gs}$ 和 $v_{ds}$ - SCP，用于碳化硅（SiC）金属 - 氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），该方法通过同时监测 $v_{gs}$ 和 $v_{ds}$ 来实现。当 $v_{gs}$ 和 $v_{ds}$ 均超过各自的预设阈值时，保护功能启动，从而能够有效抵御硬开关故障（HSF）和负载下故障（FUL）。与现有方法相比，所提出的电路设计结构更简单，且不受封装类型的限制。搭建了一个测试平台来验证所提出的 $v_{gs}$ 和 $v_{ds}$ - SCP 方法，结果显示，该方法对硬开关故障的响应时间为 246 纳秒，对负载下故障的响应时间为 415 纳秒。
English Abstract
This letter proposes a straightforward and reliable short-circuit protection (SCP) method, termed vgs and vds-SCP, for silicon carbide (SiC) metal-oxide semiconductor field-effect transistors (mosfets) by simultaneously monitoring vgs and vds. The protection is activated when both vgs and vds exceed their respective preset thresholds, enabling effective protection against both hard switching faults (HSF) and faults under load (FUL). Compared to existing methods, the proposed circuit design features a simpler structure and is not limited by the packaging type. A test bench has been built to verify the proposed vgs and vds-SCP method, and the results show response times of 246 ns for HSF and 415 ns for FUL.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项SiC MOSFET短路保护技术具有重要的应用价值。作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商，我们在大功率电力电子变换器中广泛采用SiC MOSFET器件，以实现更高的效率和功率密度。然而，SiC器件的短路耐受能力较传统IGBT更弱，通常仅为3-5微秒，这对保护电路的响应速度提出了严苛要求。
该论文提出的Vgs和Vds联合检测方法展现出显著的技术优势。首先，246纳秒（HSF）和415纳秒（FUL）的响应时间远快于传统保护方案，为SiC器件提供了充足的安全裕量。其次，该方法通过双参数监测有效区分了硬开关故障和负载故障两种典型场景，这对于我们的组串式逆变器和储能PCS系统尤为重要，能够显著降低误触发率，提升系统可靠性。
从产品化角度分析，该技术的电路结构简单且不受封装类型限制，这意味着可以灵活应用于我们从3.125kW户用逆变器到8.8MW大型集中式逆变器的全系列产品线。特别是在储能双向变流器中，频繁的充放电切换对保护电路的可靠性要求更高，该技术的低误触发特性能够有效提升系统可用性。
技术挑战方面，需要关注的是阈值参数在不同工况和温度条件下的适应性，以及与现有驱动电路的集成优化。建议开展深入的可靠性验证测试，并评估在1500V高压系统中的应用潜力。该技术为我们进一步提升产品竞争力、降低系统故障率提供了重要的技术储备。