功率
半导体技术的不断改进使功率转换器更加高效和紧凑。碳化硅 CoolSiC™ MOSFET因其卓越的效率，尤其是在部分负载下而被视为电驱动应用的新趋势。甚至可以实现无风扇设计，从而实现集成度更高、更可靠的转换器。
然而，这种趋势伴随着这些功率器件的短路鲁棒性降低。例如，CoolSiC™ MOSFET 的短路脉冲持续时间为 2-3 μs [5]。如此短的短路时间对典型检测方法来说是一个挑战。
在工业驱动中，以下最先进的方法很常见：
• 具有“DESAT”功能的栅极驱动器
• 基于并联的解决方案（直流或交流）
• 电气隔离交流电流传感器（霍尔、AMR）
每种方法都有其优点和缺点。具有“DESAT”功能的栅极驱动器可以检测桥击穿故障以及逆变器输出侧的故障。然而，栅极驱动器更为复杂，对于IGBT，由于电导率调制引起的电压尾部，需要几μs的消隐时间。分流器具有高带宽和线性度，但也会增加功率损耗。此外，虽然交流分流器需要具有特殊数据流的单独数字隔离IC，但直流分流器无法检测所有接地故障。
本文重点介绍一种基于数字的新型交流电流传感器。它具有电气隔离和快速短路检测功能，符合工业驱动器标准IEC 61800-5-1。在这种情况下，必须处理相间和相地故障。但是，应该注意的是，从本质上讲，交流电流传感器无法检测到桥击穿故障。然而，这些故障非常罕见，例如，可能是由宇宙射线引起的单个设备的故障引起的。这种保护可能只适用于具有长母线的大型逆变器，以防止间接损坏。
最后，将证明短路检测时间低于1 μs是可能的。这允许 CoolSiC™ MOSFET 和更高效的 IGBT 安全运行。
带集成过流检测的数字交流电流传感器TLI4971是一款高精度微型无芯磁流传感器，具有模拟接口和两个快速过流检测输出（图1中的框图）。英飞凌成熟而强大的单片霍尔技术可实现精确、高度线性的电流测量，满量程高达 ±120 A。所有用户可编程参数（如 OCD 阈值、消隐时间和输出配置模式）都存储在嵌入式 EEPROM 存储器中。过流检测阈值可在标称电流的0.5至2.5倍之间调节。此外，响应时间低于1 μs，可以根据EEPROM的设置以500 ns的步长增加。
由于其独特的封装设计（图 1），TLI4971 在其集成电流轨中实现了 220 μΩ 的出色低阻抗，并且寄生电感小于 1 nH，此外，还可以在宽带隙器件的直流母线连接中使用
图1.框图和引脚布局。测试设置为了演示 TLI4971 与 CoolSiC™ MOSFET 结合使用时的快速反应时间，我们进行了测试（图 2）。使用FS45MR12W1M1
电源模块的半桥，其输出端子连接到TLI4971“MS2GO”评估板。对于正常工作，在双脉冲测试中使用感性负载。对于短路操作，端子A和B通过非常短的电缆连接。
图2.汉诺威高等专科学校的测试设置。由于栅极驱动器级别不需要额外的功能，例如DESAT功能，因此可以使用简单紧凑的8引脚栅极驱动器（1EDI60N12AF）。
FS45MR12W1M1 的标称电流为 ID= 25 A。TLI 4971 的过流水平 （OCD1） 设置为标称电流的四倍，即 100 A，以确保适当的安全裕度。如前所述，此电平非常灵活，可以在设计阶段进行编程。由于OCD1过流引脚的输出信号和输入脉冲信号连接到AND逻辑门，因此在发生过流/短路事件时，栅极驱动器将立即关断。
使用冷却碳化硅™ MOSFET 的测试结果首先，使用短实验室电缆和80米长的电机电缆来连接感性负载，以测试正常运行。使用200 MHz Pearson探头（型号2877）和电流互感器[3]在直流路径中测量器件电流。调整栅极电阻，使dv/dt在最坏情况下（低电流导通、高电流关断）限制在5 kV/μs。正如预期的那样，图3显示了由于电机电缆的电容充电而导致的更高导通电流。但是，没有观察到OCD1引脚的错误触发。
图3.正常运行在 U 处开启直流= 600 V， R刚= 50 Ω ， ID= 25 A，电缆长度不同。在第二步中，移除感性负载并旁路端子。之后引发了短路I（硬开关故障）。如图4所示，电流检测并关断时间约为950 ns。应该注意的是，OCD1在超过100 A的过流水平后具有大约数百ns的延迟。由于SiC-MOSFET没有固有电流限制，因此电流达到约300 A的峰值。在此峰值之后，由于载流子迁移率和JFET效应的降低，随着温度的升高和自发热，电流会自行略有下降[6]。在这种情况下，关闭速度如此之快，以至于几乎看不到这种效果。关断电压峰值仍然适中，仅比直流母线电压高 50 V，这要归功于低电感直流母线路径和模块布局。
图4.正常运行 U 处开启直流= 600 V， R刚= 50 Ω ， R戈夫= 200 Ω ， 短路。在另一项短路测试中，使用了80米长的电机电缆。如图 5 所示，当前的斜率要慢得多。峰值电流仅略高于 100 A。
图5. 正常运行 U 处开启直流= 600 V， R刚= 50 Ω ， R戈夫= 200 Ω ， 长电缆短路。对IGBT的优势虽然驱动应用中的所有SiCMOSFET都必须提供非常快速的短路保护，但现代IGBT的短路要求更为适中。例如，TRENCHSTOP™ IGBT7允许8 μs（工业驱动@150°C），EDT2 IGBT（汽车传动系统）需要3 μs（@175°C）。这就提出了一个问题，即使用TLI4971及其更快的短路保护对当今的IGBT有什么好处？
众所周知，通过增加栅极电压，饱和电压以及功率损耗都会降低。然而，作为一个缺点，这伴随着短路降额，如[4]中所述。例如，将栅极电压提高到18 V，可将短路时间缩短30%，达到约5.6 μs。TLI4971 仍然可以胜任处理这种短路时间。以图5所示的输出特性为例，很明显，特别是在较高电流下，这种优势是显著的。在标称电流的两倍时，当栅极电压为19 V时，饱和电压降低1.4 V或37%。
图6.输出特性 FP25R12W1T7， Tj = 175°C. 结论
使用英飞凌的XENSIV™ TLI4971电流传感器，可以证明最新的CoolSiC™ MOSFET技术的短路保护是可能的。这简化了 CoolSiC™ MOSFET 在工业驱动器等应用中的使用，在这些应用中，需要一定的抗短路鲁棒性。使用 CoolSiC™ MOSFET 可实现更高效的驱动逆变器，这有助于降低整个生命周期内的能源成本。此外，CoolSiC™ MOSFET 可将逆变器集成到电机中，这对于最先进的 IGBT 来说是具有挑战性的。此外，快速短路保护还可以通过增加栅极电压来帮助提高基于IGBT的输入转换器的效率。因此，V 较低行政长官是针对给定电流获得的。
