用于 GaN HEMT 的超快分立式短路保護(hù)

當(dāng)今的行業(yè)需要緊湊且速度更快的電子電路，這些電路可以在高性能計(jì)算機(jī)、電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心和高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)等高功率應(yīng)用中實(shí)施。實(shí)現(xiàn)這一壯舉的方法是提高電子設(shè)備的功率密度。硅基MOSFET具有較低的開關(guān)速度和熱效率；因此，如果不增加尺寸并因此影響功率密度，它們就不能用于高功率應(yīng)用。這就是基于氮化鎵 (GaN) 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 用于制造高功率密度電子產(chǎn)品的地方，適用于各行各業(yè)的不同應(yīng)用。

當(dāng)今的行業(yè)需要緊湊且速度更快的電子電路，這些電路可以在高性能計(jì)算機(jī)、電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心和高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)等高功率應(yīng)用中實(shí)施。實(shí)現(xiàn)這一壯舉的方法是提高電子設(shè)備的功率密度。硅基MOSFET具有較低的開關(guān)速度和熱效率；因此，如果不增加尺寸并因此影響功率密度，它們就不能用于高功率應(yīng)用。這就是基于氮化鎵 (GaN) 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 用于制造高功率密度電子產(chǎn)品的地方，適用于各行各業(yè)的不同應(yīng)用。

GaN HEMT 表現(xiàn)出零反向恢復(fù)、低輸出電荷和更高的轉(zhuǎn)換率，從而支持提供更高效率的更新拓?fù)?，這是硅基 MOSFET無法實(shí)現(xiàn)的。GaN 的高頻操作有助于設(shè)計(jì)人員提高器件的功率密度，從而提高系統(tǒng)效率并節(jié)省成本。但增加的工作頻率也給為這些 GaN HEMT 設(shè)計(jì)短路和過流保護(hù)電路帶來了挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有的保護(hù)電路及其缺點(diǎn)

GaN HEMT 的工作頻率非常高，因此其保護(hù)電路需要比硅基 MOSFET 中使用的傳統(tǒng)短路和過流保護(hù)方法更快，可概括為：

? 柵極驅(qū)動(dòng)器電路中的集成去飽和故障檢測(cè)器使用 IGBT 本身作為故障測(cè)量設(shè)備。在短路期間，集電極-發(fā)射極電壓異常升高，這表明短路。

? 電流檢測(cè)電阻器是一種低壓電阻器，用于將流動(dòng)電流映射為電壓以監(jiān)控電流流動(dòng)。它們是串聯(lián)在電路中的低阻值大功率電阻。

? 共源電感兩端的電壓檢測(cè)有助于檢測(cè)電流變化率 (di/dt)。

這些傳統(tǒng)保護(hù)方法的延遲時(shí)間接近 2.5 μs，這對(duì)于 GaN HEMT 來說已經(jīng)很高了。電流檢測(cè)電阻器會(huì)在電路中增加額外的寄生電感，這會(huì)對(duì) GaN HEMT 的開關(guān)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。跨共源電感的電壓感測(cè)對(duì)于 GaN 來說并不實(shí)用，因?yàn)椴扇×酥鲃?dòng)措施來減少 GaN 電路中的雜散電感以提高開關(guān)性能。因此，GaN 器件需要替代的短路和過流保護(hù)方法。近的研究提出了一種用于保護(hù)的分立式短路/過流電路，但它們要么限于低功率電路，要么需要的組件實(shí)際上并不可行。

建議的保護(hù)方法

如前所述，目前用于GaN HEMT短路和過流保護(hù)的技術(shù)存在各種缺點(diǎn)。所提出的超快速分立式短路保護(hù)電路包括兩個(gè)階段：軟關(guān)斷階段和硬關(guān)斷階段。下圖顯示了所提出電路的電路圖，它主要是監(jiān)測(cè)漏源電壓以獲得 V sense。然后使用比較器將V sense與參考電壓 V ref進(jìn)行比較；如果 V sense大于 V ref，則故障信號(hào)被拉高。柵極驅(qū)動(dòng)電路的開啟/關(guān)閉電壓用于設(shè)置 V sense，從而無需額外的電源。在隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電路的情況下，信號(hào)隔離器用于將故障信號(hào)發(fā)送回柵極驅(qū)動(dòng)器電路。故障信號(hào)禁用柵極驅(qū)動(dòng)器電路，啟動(dòng)硬關(guān)斷階段。

擬議保護(hù)電路的電路圖（：IEEE）

軟關(guān)斷功能用于限制由于高雜散電感變化而產(chǎn)生的電壓尖峰。R3 電阻和有源 MOSFET 開關(guān)實(shí)現(xiàn)相同的功能。當(dāng)故障信號(hào)變高時(shí)，MOSFET 被觸發(fā)以使用用于 GaN HEMT 柵極的 Rg_on 和 R3 電阻器形成分壓器。較低的柵極電壓限制了飽和電流，從而逐漸降低了漏極電流。

仿真和硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果

為了測(cè)試所提方法的短路和過流保護(hù)能力，在LTspice仿真軟件上進(jìn)行了仿真。短路保護(hù)測(cè)試是基于單端器件的硬開關(guān)故障短路，而過流保護(hù)是在典型的雙脈沖測(cè)試電路上進(jìn)行測(cè)試。在短路期間，漏極電流 Id迅速上升到其飽和點(diǎn)，并且由于電路中存在雜散電感，在 V ds中觀察到電壓驟降。

短路試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果：(a)無保護(hù)；(b) 僅硬關(guān)斷保護(hù)；(c) 兩級(jí)保護(hù)（：IEEE）

上圖顯示了三種不同情況下的仿真結(jié)果：無保護(hù)、僅硬關(guān)斷保護(hù)和兩級(jí)保護(hù)。無保護(hù)電路情況下的溫度圖顯示結(jié)溫迅速上升，這可能導(dǎo)致產(chǎn)品熱損壞。此外，仿真結(jié)果表明，硬關(guān)斷和兩級(jí)保護(hù)電路都能夠?qū)厣３衷诳山邮艿姆秶鷥?nèi)，從而保護(hù)器件免受熱損壞。仿真結(jié)果顯示在硬關(guān)斷保護(hù)的情況下會(huì)出現(xiàn)高壓尖峰。這是因?yàn)闁艠O驅(qū)動(dòng)電路僅在漏極電流 I d超過設(shè)定的限制。這意味著電路中存在雜散電感，進(jìn)而導(dǎo)致高 di/dt，從而導(dǎo)致高電壓尖峰。兩級(jí)保護(hù)電路的軟關(guān)斷保護(hù)功能有助于保持低雜散電感，從而防止高壓尖峰。

對(duì)電路進(jìn)行了硬件測(cè)試以檢查其真實(shí)性。400V短路測(cè)試結(jié)果表明，軟關(guān)斷耗時(shí)85ns，二級(jí)硬關(guān)斷耗時(shí)125ns，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的短路和過流保護(hù)電路的轉(zhuǎn)彎- 2.5 μs 的關(guān)斷時(shí)間。硬件結(jié)果還表明，由于軟關(guān)斷功能，雜散電感引起的電壓尖峰僅為 520 V。本文中描述的保護(hù)電路可以更快地響應(yīng) GaN HEMT 中的短路和過流故障，并有助于這些高頻半導(dǎo)體器件的大規(guī)模采用和更安全的實(shí)施。