用于 GaN HEMT 的超快分立式短路保護

當今的行業(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算機、電動汽車、數(shù)據(jù)中心和高功率電機驅(qū)動等高功率應用中實施。實現(xiàn)這一壯舉的方法是提高電子設備的功率密度。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)的不同應用。

當今的行業(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算機、電動汽車、數(shù)據(jù)中心和高功率電機驅(qū)動等高功率應用中實施。實現(xiàn)這一壯舉的方法是提高電子設備的功率密度。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)的不同應用。

GaN HEMT 表現(xiàn)出零反向恢復、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撲，這是硅基 MOSFET無法實現(xiàn)的。GaN 的高頻操作有助于設計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 設計短路和過流保護電路帶來了挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有的保護電路及其缺點

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

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

? 電流檢測電阻器是一種低壓電阻器，用于將流動電流映射為電壓以監(jiān)控電流流動。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有助于檢測電流變化率 (di/dt)。

這些傳統(tǒng)保護方法的延遲時間接近 2.5 μs，這對于 GaN HEMT 來說已經(jīng)很高了。電流檢測電阻器會在電路中增加額外的寄生電感，這會對 GaN HEMT 的開關(guān)性能產(chǎn)生負面影響?？绻苍措姼械碾妷焊袦y對于 GaN 來說并不實用，因為采取了主動措施來減少 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方法。近的研究提出了一種用于保護的分立式短路/過流電路，但它們要么限于低功率電路，要么需要的組件實際上并不可行。

建議的保護方法

如前所述，目前用于GaN HEMT短路和過流保護的技術(shù)存在各種缺點。所提出的超快速分立式短路保護電路包括兩個階段：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進行比較；如果 V sense大于 V ref，則故障信號被拉高。柵極驅(qū)動電路的開啟/關(guān)閉電壓用于設置 V sense，從而無需額外的電源。在隔離式柵極驅(qū)動器電路的情況下，信號隔離器用于將故障信號發(fā)送回柵極驅(qū)動器電路。故障信號禁用柵極驅(qū)動器電路，啟動硬關(guān)斷階段。

擬議保護電路的電路圖（：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)實現(xiàn)相同的功能。當故障信號變高時，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。

仿真和硬件實現(xiàn)結(jié)果

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

短路試驗模擬結(jié)果：(a)無保護；(b) 僅硬關(guān)斷保護；(c) 兩級保護（：IEEE）

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

對電路進行了硬件測試以檢查其真實性。400V短路測試結(jié)果表明，軟關(guān)斷耗時85ns，二級硬關(guān)斷耗時125ns，遠低于傳統(tǒng)的短路和過流保護電路的轉(zhuǎn)彎- 2.5 μs 的關(guān)斷時間。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。本文中描述的保護電路可以更快地響應 GaN HEMT 中的短路和過流故障，并有助于這些高頻半導體器件的大規(guī)模采用和更安全的實施。