用於GaN HEMT的超快速分離式短路保護
作者 : Saumitra Jagdale，Open Cloudware創辦人
氮化鎵高電子遷移率電晶體(GaN HEMT)的工作頻率非常高，保護電路必須矽基金屬氧化物半導體場效電晶體(Silicon-based MOSFET)中使用的傳統短路和過流保護方法更快，這為短路和過流保護電路的設計帶來考驗…
如今，行業需要緊湊且速度更快的電子電路，這些電路可以在高性能電腦、電動汽車、資料中心和高功率電機驅動器等高功率應用中實施。想要實現這一壯舉的唯一方法是提高電子設備的功率密度。
Silicon-based MOSFET具有較低的開關速度和熱效率，因此，如果不增加尺寸就會影響功率密度，它們就不能用於高功率應用。這就是使用GaN HEMT的主要方向，製造高功率密度的電子產品，它適用於各行各業的不同應用。
GaN HEMT表現出零反向恢復、低輸出電荷和更高的轉換率，從而支援提供更高效率的更新拓撲，這是矽基MOSFET無法實現的。GaN的高頻操作有助於設計人員提高元件的功率密度，從而提高系統效率並節省成本。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。
現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Silicon-based MOSFET中使用的傳統短路和過流保護方法更快，具體可概括為：
- 閘極驅動器電路中的整合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-發射極電壓異常升高，這表明短路。
- 電流檢測電阻是一種低壓電阻，用於將流動電流映射為電壓以監控電流流動。它們是串聯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於檢測電流變化率(di/dt)。
這些傳統保護方法的延遲時間接近2.5µs，這對於GaN HEMT來說已經很高了。電流檢測電阻會在電路中會增加額外的寄生電感，這對GaN HEMT的開關性能將產生負面影響。因為採取了主動措施來減少GaN電路中的雜散電感從而提高開關性能，跨共源電感的電壓檢測對於GaN來說並不實用。因此，GaN元件需要短路和過流保護的替代方法。近期的研究提出了可用於保護的分離式短路/過流電路，但它們要麼受限於低功率電路，要麼需要的元件實際上並不可行。
建議的保護方法
如前所述，目前用於GaN HEMT短路和過流保護的技術存在各種缺點。本文所提出的超快速分離式短路保護電路包括兩個階段：軟截止階段(soft turn-off stage)和硬截止階段(hard turn-off stage)。下圖1顯示了所提出電路的電路圖，它主要是監測汲-源電壓以獲得Vsense。然後使用比較器將Vsense與參考電壓Vref進行比較，如果Vsense大於Vref，則故障信號被拉高。閘極驅動電路的開啟/關閉電壓用於設置Vsense，從而無需額外的電源。假使在隔離式閘極驅動器電路中，信號隔離器用於將故障信號發送回閘極驅動器電路。故障信號使閘極驅動器電路無效，啟動硬截止階段。
圖1：GaN HEMT保護電路的電路圖。 (來源：IEEE)
軟截止功能用於限制由於高雜散電感變化而產生的電壓尖峰。R3電阻和有源MOSFET開關實現相同的功能。當故障信號變高時，MOSFET被觸發使用Rg_on和R3電阻形成GaN HEMT閘極的分壓器。較低的閘極電壓限制了飽和電流，從而逐漸降低了汲極電流(ID)。
模擬和硬體實現結果
為了測試所提方法的短路和過流保護能力，在LTspice模擬軟體上進行了模擬。短路保護測試是基於單端元件的硬開關故障短路，而過流保護是在典型的雙脈衝測試電路上進行測試。在短路期間，ID迅速上升到其飽和點，並且由於電路中存在雜散電感，在VDS中觀察到電壓驟降。
圖2：短路保護電路測試模擬結果：(a) 無保護 (b) 僅有硬截止保護 (c) 軟硬截止保護。 (來源：IEEE)
上圖2顯示了三種不同情況下的模擬結果：無保護、僅硬截止保護和兩級保護。無保護電路情況下的溫度圖顯示結溫迅速上升，這可能導致產品熱損壞。此外，模擬結果表明，硬截止和兩級保護電路都能夠將溫升保持在可接受的範圍內，從而保護元件免受熱損壞。
模擬結果顯示在硬截止保護的情況下會出現高壓尖峰。這是因為只有當ID超過設定限值時，閘極驅動器電路才會關閉。這意味著電路中存在雜散電感，從而導致高di/dt，進而導致高電壓尖峰。兩級保護電路的軟截止保護功能有助於保持低雜散電感，從而防止高壓尖峰。
對電路進行了硬體測試以檢查其真實性。400V短路測試結果表明，軟截止耗時85ns，二級硬截止耗時125ns，遠低於傳統的短路和過流保護電路的2.5µs的截止時間。硬體結果還表明，由於軟截止功能，雜散電感引起的電壓尖峰僅為520V。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，並有助於這些高頻半導體元件的大規模採用和更安全的實施。
原文刊登於EDN China網站
(參考原文：Ultrafast Discrete Short-Circuit Protection for GaN HEMTs，by Saumitra Jagdale)
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