1.概述

碳化硅 (SiC) MOSFET 已成为硅 (Si) IGBT 的潜在替代产品，适用于光伏逆变器、车载和非车载电池充电器、牵引逆变器等各种应用。与 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 具有更严格的短路保护要求。为了充分利用
SiC MOSFET 并确保系统稳健运行，需要快速可靠的短路保护电路。

TI 的 UCC217xx 系列是适用于 IGBT 和 SiC 且具有高级保护功能的单通道隔离式栅极驱动器，可用于各种系统设计，以保护开关免受各种类型的过流和短路故障的影响。出色的快速保护和高抗噪性可提高系统设计的多功
能性和系统的稳健性。

2.IGBT和碳化硅MOSFET器件特性

要最有效地使用 SiC MOSFET，需要充分了解相关器件特性。SiC MOSFET 和 Si IGBT 具有不同的特性，这对其各自的短路保护方案有影响。

通过 IGBT 与 SiC MOSFET 的比较结果可以看出，IGBT 具有相似的阻断电压和电流额定值，而 SiC MOSFET 具有更小的芯片面积，因此寄生电容小于 IGBT 并固有的开关速度有所增加。但是，较小的芯片面积意味着 SiC MOSFET 芯片的散热能力较差。在短路情况下，浪涌电流会产生大量的热量，如果散热能力不足，芯片可能会在短时间内被损坏。由于芯片尺寸较
小，SiC MOSFET 的浪涌电流能力低于 IGBT。

SiC MOSFET 和 IGBT 的输出特性也不同。在正常导通状态期间，IGBT 通常在饱和区域中工作。发生短路时，集电极电流 IC 增加，并从饱和区域急剧转换到活动区域。集电极电流会自我限制，并不再受 VCE 的影响。因此，IGBT 电流和功耗的增加会自我限制。

而在正常导通运行期间，SiC MOSFET 在线性区域工作。在短路事件期间，SiC MOSFET 会进入饱和区域。与 IGBT 不同，SiC MOSFET 具有更大的线性区域。从线性区域到饱和区域的转换发生在 VDS 明显升高的情况下。漏极电流会随 Vds 的增加而不断增加。器件会在达到转换点之前被损坏。这些特性使得 SiC MOSFET 的短路保护与 IGBT 大不相同。

3.短路保护方法比较

短路保护对于确保系统稳健并充分利用器件非常重要。合格的短路保护电路应能够实现快速检测并关断器件，而不会发生误触发。我们将分析和比较目前常用的三种短路保护方案，包括去饱和检测、分流电阻检测方案和senseFET 电流检测方案。图 1 展示了去饱和检测电路。

该电路由一个电阻器、一个消隐电容器和一个二极管组成。当器件导通时，电流源为消隐电容器充电并且二极管导通。在正常工作期间，电容器电压被钳位在器件的正向电压。发生短路时，电容器电压会快速充电至阈值电压，从而触发器件关断。电容器充电时间称为消隐时间，计算公式为：

对于 IGBT，去饱和阈值电压通常设置在转换电压附近，因为之后电流几乎可以受到限制，以便 IGBT 能够承受更长的时间。设计 SiC MOSFET 的去饱和电路时需要更多注意。为 IGBT 设计的消隐时间过长，无法保护 SiC MOSFET。一方面，SiC MOSFET 的转换电压通常非常高，因此无法限制电流。当推荐的短路关断时间小于 2μs 时，去饱和阈值电压需要设置为较低的值。另一方面，SiC MOSFET 的快速开关速度会在导通转换期间产生噪声。短路检测时间应设计得足够长，以避免误触发，这使得 SiC MOSFET 的去饱和电路设计颇具挑战性。

图 2 展示了分流电阻检测方案。电源环路中串联了一个小电阻器来检测电流。该方案简单明了，可在任何系统中灵活采用。为了保证信号精度和检测时间，需要使用高精度电阻器和快速 ADC。该方法的缺点在于功率
损耗。在大功率系统中，大电流会在分流电阻器上产生较大的功率损耗。在小功率系统中，需要更大的电阻来确保检测信号的准确性，这也会在小功率应用中产生损耗并降低效率。

图 3 展示了 senseFET 电流检测方案。senseFET 通常集成在电源模块中，与主器件并联，以减小器件电流。然后使用精确的分流电阻器测量减小后的电流。由于检测到的电流与器件电流同步，因此检测时间很短。
由于 senseFET 集成在电源模块中，寄生电感较小，因此产生的噪声较低。尽管此方案有许多优势，但仍需要带有 senseFET 的电源模块，这会增加系统成本。

4.总结

SiC MOSFET 有望取代 IGBT，从而实现更紧凑、更高效的系统。SiC MOSFET 的短路保护方案应从以下几个方面进行评估：快速响应时间、低功率损耗、高精度、高抗噪性和低成本。应努力改善保护电路、栅极驱
动器和 PCB 布局，以提高整体性能。UCC217XX 系列具有出色的过流和短路保护功能。凭借较短的检测时间和故障报告时间，栅极驱动器可以在故障发生后立即关断 IGBT 和 SiC MOSFET 模块，并向隔离式输入侧
报告故障。UCC217XX 系列支持上述所有三种检测方案，这使得该驱动器适用于各种系统设计。该驱动器可以针对过流和短路故障提供可靠的保护，并提高系统的稳健性。