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用于GaN HEMT的超快速分立式短路保护

2023-03-01 14:05:17 Saumitra Jagdale 阅读:
GaN HEMT的保护电路必须比硅基MOSFET中使用的传统短路和过流保护方法更快。

如今,行业需要紧凑且速度更快的电子电路,这些电路可以在高性能计算机、电动汽车、数据中心和高功率电机驱动器等高功率应用中实施。想要实现这一壮举的唯一方法是提高电子设备的功率密度。硅基MOSFET具有较低的开关速度和热效率,因此,如果不增加尺寸就会影响功率密度,它们就不能用于高功率应用。这就是使用氮化镓(GaN)基的高电子迁移率晶体管(HEMT)的主要方向,制造高功率密度的电子产品,它适用于各行各业的不同应用。dxTednc

GaN HEMT表现出零反向恢复、低输出电荷和更高的转换率,从而支持提供更高效率的更新拓扑,这是硅基MOSFET无法实现的。GaN的高频操作有助于设计人员提高器件的功率密度,从而提高系统效率并节省成本。但增加的工作频率也给为这些GaN HEMT设计短路和过流保护电路带来了挑战。(IEEE原文链接)dxTednc

随着技术的发展,终端设备对于半导体器件性能、效率、小型化要求的越来越高,特别是随着5G的到来,也进一步推动了以GaN为代表的第三代半导体材料的快速发展。而要想真正实现GaN晶体管的更高电流、更快开关速度和更小物理尺寸等特性,传统硅晶体管的设计方法并不能完全满足需求,需要进行专门的优化设计。dxTednc

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现有的保护电路及其缺点

GaN HEMT的工作频率非常高,因此其保护电路需要比硅基MOSFET中使用的传统短路和过流保护方法更快,具体可概括为:dxTednc

  • 栅极驱动器电路中的集成去饱和故障检测器使用IGBT本身作为故障测量设备。在短路期间,集电极-发射极电压异常升高,这表明短路。
  • 电流检测电阻是一种低压电阻,用于将流动电流映射为电压以监控电流流动。它们是串联在电路中的低阻值大功率电阻。
  • 共源电感两端的电压检测有助于检测电流变化率(di/dt)。

这些传统保护方法的延迟时间接近2.5µs,这对于GaN HEMT来说已经很高了。电流检测电阻会在电路中会增加额外的寄生电感,这对GaN HEMT的开关性能将产生负面影响。因为采取了主动措施来减少GaN电路中的杂散电感从而提高开关性能,跨共源电感的电压检测对于GaN来说并不实用。因此,GaN器件需要短路和过流保护的替代方法。近期的研究提出了可用于保护的分立式短路/过流电路,但它们要么受限于低功率电路,要么需要的器件实际上并不可行。dxTednc

建议的保护方法

如前所述,目前用于GaN HEMT短路和过流保护的技术存在各种缺点。本文所提出的超快速分立式短路保护电路包括两个阶段:软关断阶段和硬关断阶段。下图显示了所提出电路的电路图,它主要是监测漏-源电压以获得Vsense。然后使用比较器将Vsense与参考电压Vref进行比较,如果Vsense大于Vref,则故障信号被拉高。栅极驱动电路的开启/关闭电压用于设置Vsense,从而无需额外的电源。假使在隔离式栅极驱动器电路中,信号隔离器用于将故障信号发送回栅极驱动器电路。故障信号使栅极驱动器电路无效,启动硬关断阶段。dxTednc

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保护电路的电路图(来源:IEEE)dxTednc

软关断功能用于限制由于高杂散电感变化而产生的电压尖峰。R3电阻和有源MOSFET开关实现相同的功能。当故障信号变高时,MOSFET被触发使用Rg_on和R3电阻形成GaN HEMT栅极的分压器。较低的栅极电压限制了饱和电流,从而逐渐降低了漏极电流。dxTednc

仿真和硬件实现结果

为了测试所提方法的短路和过流保护能力,在LTspice仿真软件上进行了仿真。短路保护测试是基于单端器件的硬开关故障短路,而过流保护是在典型的双脉冲测试电路上进行测试。在短路期间,漏极电流Id迅速上升到其饱和点,并且由于电路中存在杂散电感,在Vds中观察到电压骤降。dxTednc

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短路试验模拟结果:(a)无保护;(b)仅硬关断保护;(c)两级保护(来源:IEEE)dxTednc

上图显示了三种不同情况下的仿真结果:无保护、仅硬关断保护和两级保护。无保护电路情况下的温度图显示结温迅速上升,这可能导致产品热损坏。此外,仿真结果表明,硬关断和两级保护电路都能够将温升保持在可接受的范围内,从而保护器件免受热损坏。仿真结果显示在硬关断保护的情况下会出现高压尖峰。这是因为只有当漏极电流Id超过设定限值时,栅极驱动器电路才会关闭。这意味着电路中存在杂散电感,从而导致高di/dt,进而导致高电压尖峰。两级保护电路的软关断保护功能有助于保持低杂散电感,从而防止高压尖峰。dxTednc

对电路进行了硬件测试以检查其真实性。400V短路测试结果表明,软关断耗时85ns,二级硬关断耗时125ns,远低于传统的短路和过流保护电路的2.5µs的关断时间。硬件结果还表明,由于软关断功能,杂散电感引起的电压尖峰仅为520V。本文中描述的保护电路可以更快地响应GaN HEMT中的短路和过流故障,并有助于这些高频半导体器件的大规模采用和更安全的实施。dxTednc

如需更多信息,请访问IEEEdxTednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Ultrafast Discrete Short-Circuit Protection for GaN HEMTs,由Ricardo Xie编译。)dxTednc

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