用于 GaN HEMT 的超快分立式短路保护

当今的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等高功率应用中实施。实现这一壮举的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，如果不增加尺寸并因此影响功率密度，它们就不能用于高功率应用。这就是基于氮化镓 (GaN) 的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 用于制造高功率密度电子产品的地方，适用于各行各业的不同应用。

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。

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，可概括为：

• 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。

• 电流检测电阻器是一种低压电阻器，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 2.5 μs，这对于 GaN HEMT 来说已经很高了。电流检测电阻器会在电路中增加额外的寄生电感，这会对 GaN HEMT 的开关性能产生负面影响。跨共源电感的电压感测对于 GaN 来说并不实用，因为采取了主动措施来减少 GaN 电路中的杂散电感以提高开关性能。因此，GaN 器件需要替代的短路和过流保护方法。近的研究提出了一种用于保护的分立式短路/过流电路，但它们要么限于低功率电路，要么需要的组件实际上并不可行。

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。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 V sense。然后使用比较器将V sense与参考电压 V ref进行比较；如果 V sense大于 V ref，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 V sense，从而无需额外的电源。在隔离式栅极驱动器电路的情况下，信号隔离器用于将故障信号发送回栅极驱动器电路。故障信号禁用栅极驱动器电路，启动硬关断阶段。

拟议保护电路的电路图（：IEEE）

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 被触发以使用用于 GaN HEMT 栅极的 Rg_on 和 R3 电阻器形成分压器。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。

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 V ds中观察到电压骤降。

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

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。这是因为栅极驱动电路仅在漏极电流 I d超过设定的限制。这意味着电路中存在杂散电感，进而导致高 di/dt，从而导致高电压尖峰。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。

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转弯- 2.5 μs 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 520 V。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。