【導讀】當今的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計算機
、電動汽車、數據中心和高功率電機驅動等高功率應用中實施。實現這一壯舉的方法是提高電子設備的功率密度。矽基MOSFET具有較低的開關速度和熱效率；因此，如果不增加尺寸並因此影響功率密度，它們就不能用於高功率應用。這就是基於氮化镓 (GaN) 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 用於製造高功率密度電子產品的地方，適用於各行各業的不同應用。

當今的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計算機
、電動汽車

、數據中心和高功率電機驅動等高功率應用中實施。實現這一壯舉的方法是提高電子設備的功率密度。矽基MOSFET具有較低的開關速度和熱效率
；因此，如果不增加尺寸並因此影響功率密度
，它們就不能用於高功率應用。這就是基於氮化镓 (GaN) 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 用於製造高功率密度電子產品的地方，適用於各行各業的不同應用。

GaN HEMT 表現出零反向恢複
、低輸出電荷和更高的轉換率，從而支持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器件的功率密度，從而提高係統效率並節省成本。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矽基 MOSFET 中使用的傳統短路和過流保護方法更快，可概括為：

• 柵極驅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 2.5 μs
，這對於 GaN HEMT 來說已經很高了。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 的開關性能產生負麵影響。跨共源電感的電壓感測對於 GaN 來說並不實用，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於保護的分立式短路/過流電路，但它們要麼限於低功率電路
，要麼需要的組件實際上並不可行。

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。所提出的超快速分立式短路保護電路包括兩個階段：軟關斷階段和硬關斷階段。下圖顯示了所提出電路的電路圖，它主要是監測漏源電壓以獲得 V sense。然後使用比較器將V sense與參考電壓 V ref進行比較；如果 V sense大於 V ref，則故障信號被拉高。柵極驅動電路的開啟/關閉電壓用於設置 V sense，從(cong)而(er)無(wu)需(xu)額(e)外(wai)的(de)電(dian)源(yuan)。在(zai)隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)路(lu)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)

，信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)器(qi)用(yong)於(yu)將(jiang)故(gu)障(zhang)信(xin)號(hao)發(fa)送(song)回(hui)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)路(lu)。故(gu)障(zhang)信(xin)號(hao)禁(jin)用(yong)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)路(lu)，啟(qi)動(dong)硬(ying)關(guan)斷(duan)階(jie)段(duan)。

擬議保護電路的電路圖（：IEEE）

軟關斷功能用於限製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 被觸發以使用用於 GaN HEMT 柵極的 Rg_on 和 R3 電阻器形成分壓器。較低的柵極電壓限製了飽和電流
，從而逐漸降低了漏極電流。

仿真和硬件實現結果

為了測試所提方法的短路和過流保護能力

，在LTspicefangzhenruanjianshangjinxinglefangzhen。duanlubaohuceshishijiyudanduanqijiandeyingkaiguanguzhangduanlu，erguoliubaohushizaidianxingdeshuangmaichongceshidianlushangjinxingceshi。zaiduanluqijian
，loujidianliu Id迅速上升到其飽和點，並且由於電路中存在雜散電感
，在 V ds中觀察到電壓驟降。

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

上圖顯示了三種不同情況下的仿真結果：無保護、僅jin硬ying關guan斷duan保bao護hu和he兩liang級ji保bao護hu。無wu保bao護hu電dian路lu情qing況kuang下xia的de溫wen度du圖tu顯xian示shi結jie溫wen迅xun速su上shang升sheng，這zhe可ke能neng導dao致zhi產chan品pin熱re損sun壞huai。此ci外wai


，仿fang真zhen結jie果guo表biao明ming，硬ying關guan斷duan和he兩liang級ji保bao護hu電dian路lu都dou能neng夠gou將jiang溫wen升sheng保bao持chi在zai可ke接jie受shou的de範fan圍wei內nei
，從cong而er保bao護hu器qi件jian免mian受shou熱re損sun壞huai。仿fang真zhen結jie果guo顯xian示shi在zai硬ying關guan斷duan保bao護hu的de情qing況kuang下xia會hui出chu現xian高gao壓ya尖jian峰feng。這zhe是shi因yin為wei柵zha極ji驅qu動dong電dian路lu僅jin在zai漏lou極ji電dian流liu I d超過設定的限製。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斷保護功能有助於保持低雜散電感
，從而防止高壓尖峰。

對電路進行了硬件測試以檢查其真實性。400V短路測試結果表明
，軟關斷耗時85ns，二級硬關斷耗時125ns
，遠低於傳統的短路和過流保護電路的轉彎- 2.5 μs 的關斷時間。硬件結果還表明，由於軟關斷功能，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
，並有助於這些高頻半導體器件的大規模采用和更安全的實施。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻

、圖片
、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

為小型電機驅動設計設計快速反應反饋係統

配置拉滿！深圳國際半導體展聚勢歸來，展商陣容早知道！

電池管理係統創新如何提高電動汽車采用率

模擬量信號隔離器應用和選型

測試用於衛星通信的相控陣天線