摘要：
碳化硅器件比硅器件具有更低的导通电阻，用其制作直流固态断路器可以大大降低其通态损耗，减轻散热压力。然而相比于硅器件，由于碳化硅器件管芯面积小，电流密度大，其短路能力相对较弱，短路保护要求更高。为确保碳化硅器件安全可靠工作，提高碳化硅基直流固态断路器的可靠性，对比分析了硅基与碳化硅基MOSFET的短路能力，揭示了其器件恶化机理，研究了栅源极电压箝位方法，并结合去饱和检测，提出了一种基于源极寄生电感的“软关断”短路保护方法，制作了直流固态断路器样机进行实验验证。实验结果表明，所提方法可以降低功率器件的关断电压应力、抑制短路电流，适合碳化硅基直流固态断路器短路保护。
直流配电系统线路损耗低，可靠性高，在舰船、战车和航空等领域已取得初步应用。断路器是输配电线路中接通和断开负载的一个关键器件，其主要功能是在系统发生故障时迅速有效地将故障支路从系统中切除，从而保证系统正常支路负载的安全可靠工作。对于直流配电系统，传统机械式断路器已难以满足系统的保护要求[1]，而现有的固态断路器（Solidstatecircuitbreaker,SSCB）多采用硅器件[2]，其主要存在以下缺点：
（1）通态电阻较大，导致SSCB损耗较高；
（2）器件结温低，限制了应用场合，同时对散热要求也较高，增加了断路器的体积和重量。与Si器件相比，碳化硅（Siliconcar⁃bide,SiC）器件具有通态电阻低、开关速度快以及热导率高等优势，为直流SSCB的进一步发展提供了有利条件。
目前，针对SiC基SSCB的研究已取得了一些进展，利用两个常通型SiCJFET，采用共源极连接方式，设计了一个600V/60A双向固态断路器，其故障响应时间约为10μs。研制了一种基于常通型SiCJFET的自供电固态断路器，该固态断路器主要由一个常通型SiCJFET和一个快速启动的隔离型DC/DC变换器构成的驱动保护电路组成，无需额外的引线和辅助电源，结构简单。采用通态电阻极小的SiC静态感应晶体管（Staticinductiontransistor,SIT）制作了用于400V直流数据中心的SSCB，通过控制SiCSIT关断时的驱动电压，实现了较好的过压抑制效果，简化了固态断路器的结构。美国陆军研究室采用SiCMOSFET制作了一种新型直流固态断路器样机，其电压电流定额为1.2kV/200A，质量为816.5g，尺寸为9.1cm×9.1cm×8.5cm，电流密度可达0.4A/cm3，动态响应时间为5μs，工作环境温度可达125℃，主要用于军用战车直流电源系统。现有研究报道了多种SiC基SSCB方案，但针对SiC器件，对SiCSSCB过载/短路这一重要工作状态的研究都相对较少。
从器件结构看，与Si功率器件相比，SiCMOSFET管芯面积相对较小，电流密度大，所能承受的短路时间短，短路能力相对较弱；可靠性方面，由于SiC材料性能和SiC MOSFET结构的特殊性，SiCMOSFET栅极氧化层稳定性问题仍未完全解决，尤其是在短路等极限工作条件下。而SSCB最为重要的工作要求之一是系统发生过流/短路故障时能够及时响应动作，保护系统。过流/短路时，流过器件的电流快速上升，损耗增加使其发生自发热现象，充分认识SiCMOSFET的短路工作机理与行为是研制SiC基SSCB的重要保证。为此，对SiCMOSFET的短路工作过程进行了分析，得出短路电流变化规律。对Si基与SiC基MOSFET的短路能力进行了对比测试与分析，并根据MOSFET内部场强分布及SiC材料特性，揭示了SiCMOSFET器件性能恶化机理。研究了栅源极电压箝位方法，并结合去饱和电流检测方法，提出了一种基于源极寄生电感的“软关断”短路保护方法，该方法具有抑制关断过压和短路峰值电流的功能，并通过SiC基SSCB样机实验对其进行了验证。
1SSCB工作原理与状态分析
图1为SiC基直流固态断路器结构示意图，其主要由功率器件、驱动电路、电流检测电路、调理电路、保护电路、控制电路、吸收电路和辅助电源等功能单元组成。
SSCB的主要工作状态可分为启动、正常导通和故障关断3个状态。图2、为SSCB工作波形示意图。
启动[t0~t1]：t0时刻之前，SSCB处于关断状态，直流电源没有为负载供电。t0时刻，SSCB开通，接通负载。对于容性负载，SSCB启动瞬间，容性负载两端电压为零，由于电容两端电压不能突变，此时电路相当于短路状态，电路中出现较大的冲击电流，SSCB承受较大的电流应力。
正常导通[t1~t2]：SSCB导通工作。与SiMOSFET相比，SiCMOSFET具有更低的通态电阻，因此可以大大降低SSCB的通态损耗，减轻散热压力。
故障关断[t2~t3]：t2时刻，发生故障过载或短路，SSCB关断以保护系统。短路发生时，流过SS⁃CB的电流急剧增大，器件损耗大大增加。t3时刻故障清除，SSCB重新启动。
作为直流输配电系统中接通和断开负载的关键部件，SSCB在系统发生过流/短路故障时应能够及时响应动作，保护系统安全可靠工作。SSCB在带容性负载启动和承受短路过程中，器件的自发热使其内部结温迅速升高，形成正反馈效应使其损耗进一步增加，对器件的短路承受能力要求较高。针对SiC器件对其短路特性进行深入分析对成功研制SiC基SSCB尤为重要。本文主要针对基于SiCMOSFET的SSCB故障关断状态进行了研究。
2、碳化硅MOSFET短路特性分析
功率器件的短路故障类型一般分为硬开关故障（Hardswitchingfault,HSF）和负载故障（Faultunderload,FUL）。SiCMOSFET在硬开关故障下损耗更大，发热更严重，对器件的考验更为严峻，这里主要针对硬开关故障进行原理分析。
2.1短路工作模态
硬开关故障下SiCMOSFET的典型短路工作波形如图3所示。
4个工作模态分别为：
t1时刻之前，SiCMOSFET处于截止状态。此时负载已经发生短路，直流母线电压UDC直接加在SiCMOSFET两端。
模态1[t1~t2]：t1时刻，SiCMOSFET开通。由于功率回路阻抗很小，SiCMOSFET漏极电流急剧增大。快速变化的短路电流与回路中寄生电感相互作用，产生一个与直流母线电压极性相反的电压ULloop，导致SiCMOSFET漏源极电压有所下降。ULloop可表示为
则SiCMOSFET两端的电压Uds为
短路电流上升过程中，SiCMOSFET的功率损耗导致器件自发热，SiCMOSFET结温逐渐升高，导通电阻也随之逐渐增大，使得di/dt逐渐减小，SiCMOSFET漏源电压Uds又逐渐升高，由于此时短路电流较大，在回路寄生电阻上产生较大压降，故SiCMOSFET漏源极略低于直流母线电压。t1~t2阶段内，SiCMOSFET沟道载流子迁移率具有正温度系数，漏极电流持续上升。
模态2[t2~t3]：t2~t3阶段内，开关管仍工作在饱和区。由于开关管端电压近似为直流母线电压，且电流较大，SiCMOSFET自身功率损耗很大。开关管的自发热使结温快速上升，降低了沟道载流子迁移速率，导致流过SiCMOSFET的电流减小，dids/dt呈现负斜率。此阶段内，SiCMOSFET沟道载流子迁移率具有负温度系数，其可表示为
模态3[t3~t4]：t3时刻，SiCMOSFET结温进一步升高，短路电流有所上升，dids/dt呈现正斜率。这主要是因为SiCMOSFET沟道载流子电流减小的速率小于热电离激发漏电流增大的速率。热电离激发漏电流Ig_ther可表示为
模态4[t4~]：t4时刻，开关管关断，短路电流逐渐减小到零。此后可能会出现3种情况：
（a）开关管安全可靠关断；
（b）开关管栅极氧化层击穿，器件失控；
（c）关断后出现拖尾漏电流，导致开关管热失控，发生故障，最终导致器件损坏。
2.2短路能力测试与分析
为探究SiCMOSFET的短路能力，建立了如图4所示的短路测试平台。图4（a）为短路测试原理图，其中，UDC为可调直流电源；Rin为电源内阻；CB为断路器；UG为单脉冲驱动信号；Rg为驱动电阻；Cgs,Cgd和Cds为SiCMOSFET的寄生电容；Lg,Ld和Ls分别为包括器件外部引线和器件内部连线的栅极、漏极和源极的寄生电感。图4（b）为平台照片。短路测试中使用1200V/35A的SiCMOSFET，并与1200V/35A的SiMOSFET进行了对比。
图5为不同脉宽下短路测试波形，实验中直流母线电压设为550V，驱动电阻为30Ω。由于SCH2080KE栅极正向电压极限值为+22V，考虑一定的安全裕量，正向驱动电压取为+18V。
对于SiCMOSFET，短路脉宽设置为10μs时，短路电流先增大后减小，与前述分析一致。随着短路脉宽的进一步增大，关断时短路电流逐渐减小，但短路能量逐渐增大。当短路脉宽增大至15μs时，SiCMOSFET通态时的栅源极电压Ugs已略有下降，说明此时栅极漏电流增大，器件性能开始恶化；当短路脉宽进一步增大至17.5μs时，其通态时的栅源极电压Ugs下降幅度已增大至2V，同时在SiCMOSFET关断后，经12μs延时，栅源极电压Ugs突然变为0V，经测试SiCMOSFET栅源极已发生短路，导致器件损坏，此时对应的短路能量EC为1.365J。而相近定额的SiMOSFET，在短路脉宽为17.5μs时，器件依然保持良好的性能，即使脉宽增大至60μs（短路能量EC=2.403J）仍能够有效的断开短路电流，同时栅源极未被击穿。
表1给出正常和损坏的SiCMOSFET各端子阻抗及体二极管正向压降测试数据。可见，母线电压为550V，短路脉宽为17.5μs时，SiCMOSFET栅源极氧化层被击穿，栅源极近似短路，此时SiCMOSFET成为不可控器件，但是其漏源极阻抗依然很大，具有一定的阻断能力，同时体二极管正向压降几乎保持不变。
短路时，直流母线电压UDC直接加在功率MOSFET两端，由于MOSFET栅源极电压一般只有十几伏，故直流母线电压由反向偏置的PN结（漏源极寄生电容Cds）和MOS电容（栅漏极寄生电容Cgd）共同承担，图6给出功率MOSFET内部电场强度分布图。
由高斯定理可知，栅极氧化层中电场强度与其下方半导体材料电场强度满足
3、短路保护电路设计
由于SiCMOSFET耐受短路电流的能力比SiMOSFET弱，因此必须精心设计短路保护电路，保证SiC基SSCB和系统的安全可靠工作。
3.1电流检测
对短路故障进行快速可靠的检测是保护电路的关键。目前，短路检测的方法主要有电阻检测、电流互感器检测和去饱和检测。电阻检测损耗相对较大，不适合大电流场合；电流互感器不利于检测直流电流，若采用霍尔电流传感器，则成本较高，且需额外的电源。故最终采用去饱和检测方法对SiCMOSFET进行短路检测。
去饱和检测的基本思想是基于功率器件的输出特性，当SiCMOSFET正常导通时，其漏源极电压很小；一旦发生短路故障，漏极电流迅速增大，其漏源极电压也随之增大。通过检测SiCMOSFET的端电压即可对流过开关管的电流进行实时检测判断。基于1ED020I12⁃F2驱动芯片的去饱和保护外围电路如图7所示。
去饱和保护的工作时序如图8所示。当IN+输入引脚为高电平时，经TPOON延时，芯片OUT引脚输出高电平，DESAT引脚处于检测状态。在SiCMOSFET开通期间，为了使SiCMOSFET漏源极电压降低到其稳态导通值，防止保护电路误动作，必须设置一定的消隐时间。
1ED020I12⁃F2驱动芯片消隐时间TBLANK包括两部分，其大小为
3.2栅源极电压箝位
电路中出现短路故障时，SiCMOSFET漏源极电压快速升高，与密勒电容相互作用产生正反馈电流，即密勒电流，该电流为栅源电容充电，迫使栅极电压升高，SiCMOSFET为压控型器件，栅源极电压与漏极电流存在一定的制约关系，栅源极电压越高，短路峰值电流越大。因此，为保证功率器件安全可靠工作，必须限制栅源极电压，抑制短路峰值电流。目前常见的限制栅源电压的方法主要有两种：
（1）栅极电压箝位，即在MOSFET栅极与电源之间并联箝位二极管。当栅极电压达到一定箝位值时，箝位二极管导通，此时栅极电压为电源电压与二极管的导通压降之和，由于箝位二极管的导通压降很小（一般采用肖特基二极管），故其值几乎与电源电压相近，从而达到箝位栅极电压，限制短路电流的作用；
（2）齐纳二极管箝位，即在SiCMOSFET栅源极并联齐纳二极管，并使其尽可能靠近SiCMOSFET。这两种方法都需要在驱动电路中加入额外的器件，而且使用动态响应速度较慢。对于功率模块，还可以利用其辅助源极和主功率源极间的寄生电感的负反馈作用，抑制栅源电压上升。
图9为基于源极寄生电感的“软关断”原理图，发生短路故障时，SiCMOSFET的漏极电流快速上升，与寄生电感LAM相互作用，在其两端产生一个与栅源电压极性相反的电压，从而抑制栅源电压的上升，达到抑制短路电流的目的。由于短路时电流很大且采用功率模块内部寄生电感，该方法具有很快的动态响应速度。同时，驱动开通回路仍与辅助源极相连，从而保证了SiCMOSFET高速开通，有利于缩短消隐时间，加快去饱和检测速度。此外，该方法还具有抑制关断过压的作用。
4、实验结果与分析
为验证文中分析和所采用的短路检测和栅极电压箝位方法，设计制作了如图10所示的270V/100ASSCB样机，样机主要分为主功率电路、隔离驱动电路、状态显示电路、短路保护电路、电流检测电路、DSP主控电路和辅助电源电路等。
4.1、硬开关故障
图11为硬开关故障下，采用不同栅源电压抑制方法时SiC基SSCB漏源电压Uds、漏极电流id、栅源电压Ugs以及去饱和引脚电压UDESAT的测试波形，去饱和触发电压UDESAT_TH为9V。可见，采用栅极电压箝位时，SiC基SSCB故障响应时间约为1μs，短路电流完全关断时间约为2μs。由于采用二极管本身的导通压降，关断时，栅极电压最大值为20.9V，短路峰值电流达到650A左右，电压尖峰为325V。采用齐纳二极管箝位时，SiC基SS⁃CB故障响应时间约为1μs，短路电流完全关断时间约为2μs。但由于齐纳二极管箝位需要一定的时间，关断时，栅极电压最大值为21.5V，短路峰值电流达到700A左右，电压尖峰为358V。而采用基于源极寄生电感的“软关断”方法时，SiC基SS⁃CB故障响应时间约为1μs，短路电流完全关断时间约为2.5μs。在主源极电感负反馈作用下，Ugs先迅速降低至某一电压值，而后缓慢降低到-5V，这有利于降低关断时电压尖峰。由图11可见，其电压尖峰仅为310V左右。
表2给出了不同方法下短路保护测试的相关数据。可见，与其他两种方法相比，基于源极寄生电感的“软关断”电路，在保证SiCMOSFET安全工作的前提下短路保护时间略有延长，但降低了器件关断时的电压应力，同时有效抑制了短路峰值电流，大大提高了器件的可靠性。
4.2负载故障
图12是负载故障下，SiC基SSCB漏源电压Uds、漏极电流id、栅源电压Ugs以及去饱和引脚电压UDESAT的测试波形，其中，负载电流Id=100A。可以看出，故障响应时间约为0.5μs，这是由于负载故障下，DESAT引脚通过检测二极管对SiCMOSFET漏源极电压进行实时检测，故障时，经TDESATOUT延时，OUT引脚直接输出低电平，并不需要消隐延时。与硬开关故障相似，在主源极电感负反馈作用下，Ugs先降低至某一电压值，而后缓慢降低到-5V。短路电流完全关断时间约为2.2μs。
5、结论
针对碳化硅基直流固态断路器应对短路故障的过程和快速响应要求，首先分析了SiCMOSFET的短路特性，得出短路电流变化规律，对比分析了Si基与SiC基MOSFET的短路能力，在此基础上对SiCMOSFET发生短路时器件性能恶化机理进行了研究。进一步研究了栅源电压箝位方法，并结合去饱和电流检测方法，提出了一种基于“源极寄生电感”的软关断短路保护方法。实验结果表明所提方法不仅可以充分利用SiCMOSFET高速开通的优势，减小电流检测时间，同时可以降低功率器件的关断尖峰和电压应力，抑制短路电流。
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