安徽工程大学宛新春、 陈其工 等：基于栅极和漏极电压检测的SiC MOSFET短路保护电路研究

阅读提示：本文约 2400 字

在电力电子领域，SiC MOSFET作为一种高性能的功率器件，其短路保护技术一直是研究热点。本文提出了一种基于栅极和漏极电压检测的短路保护电路，旨在解决传统保护方法速度慢、适应性差的问题，为SiC MOSFET的可靠应用提供新的解决方案。

研究背景

随着第三代宽禁带半导体技术的发展，SiC MOSFET 因其高开关频率、低损耗和高耐压特性，在电力电子变换设备中得到了广泛应用。然而，SiC MOSFET在短路状态下承受的电热应力极大，其短路耐受时间通常仅为2μs左右。因此，快速、准确且可靠的短路保护电路成为推广SiC MOSFET应用的关键技术之一。

论文所解决的问题及意义

传统短路保护方法如退饱和检测（DESAT）存在检测速度慢、消隐时间固定等问题，难以满足SiC MOSFET的短路保护需求。本文对SiC MOSFET的各类短路过程进行分析，利用器件短路时漏源极电压迅速增加的特点，设计短路保护电路的拓扑结构和功能，检测SiC MOSFET栅极和漏极电压，并将该信号进行分析、锁存、隔离、滤波处理，若器件发生短路，则输出短路信号给栅极驱动芯片。

在此基础上，采用基本逻辑器件和高速器件设计保护电路，理论上分析计算该电路在不同短路类型下的响应时间。计入所有影响保护速度的因素，该电路能在600ns内实现SiC MOSFET短路保护，尤其是在发生负载短路故障时能将短路保护时间缩短至200ns以内，其响应速度受不同母线电压影响较小。搭建实验平台，测试了该电路在不同母线电压、短路类型、驱动能力等情况下的短路保护性能，实验结果与理论分析和设计要求相符合。

论文方法及创新点

设计了一种新型短路保护电路，通过检测SiC MOSFET的栅极电压和漏极电压来判断短路故障。该电路取消了传统DESAT中的消隐电容和开关管，利用逻辑电路实现快速响应。

图1 基于栅极和漏极电压检测的短路保护电路拓扑

在SiC MOSFET发生HSF（硬短路故障）时，其漏源极电压变化小，可忽略对电路的影响，HSF过程可等效为栅极驱动电压经电阻向栅源极电容充电。由于SiC MOSFET的栅源极电容小、栅极驱动电阻小，导致其电压变化时间常数较小，HSF检测延时较短。结合滤波延时、逻辑处理时间和驱动芯片传播延时等因素，该电路可在600ns内完成短路检测和保护动作，若选用传播延时更小的驱动芯片，可将短路保护时间缩短至500ns内。

针对FUL（过流保护）短路故障，由于退饱和动作值很低（只有几伏），器件短路时会立即发生退饱和，几乎没有检测延时。因此，FUL短路保护时间主要由滤波延时（tfilter）、逻辑处理时间（tproc）和驱动芯片传播延时（tpd）组成，总时间约为200ns。

该电路在SiC MOSFET发生不同类型短路故障时的保护时间均低于行业标准的2μs，显著提高了短路保护速度，减少了器件性能退化，防止设备损坏。

图2 实验平台

所设计电路短路保护波形如下图。

c不同母线电压下的HSF保护实验波形

图4 不同母线电压下的FUL保护实验波形

结论

本文针对SiC MOSFET的短路过程及短路保护电路展开研究，分析了SiC MOSFET短路特性和DESAT电路的工作原理及不足，并提出了一种基于栅极和漏极电压检测的短路保护电路，计算了该电路在不同短路类型下的响应时间，对该电路的快速性、准确性、可靠性进行实物测试分析，并与DESAT进行对比实验。实验结果与理论分析和设计要求相符合，结果表示：

1）所设计的短路保护电路在SiC MOSFET发生不同类型短路故障的保护时间均低于器件短路耐受时间：对于硬开关故障，可以在600ns内实现快速、准确且可靠的短路保护，如果选用延时更小的栅极驱动芯片，还可将短路保护时间缩短至500ns内；在发生负载短路故障时能将SiC MOSFET短路保护时间缩短至200ns以内。

2）所设计短路保护电路的保护速度受母线电压影响较小，具有结构简单、成本低、速度快、精度高、可靠性高等特点，为SiC MOSFET在不同使用工况下的短路故障提供一种可行的解决方案。

团队介绍

研究人员隶属于安徽工程大学“高端装备先进感知与智能控制”教育部重点实验室，该实验室服务地方经济建设成效显著，近年获安徽省科技进步奖15项（含一等奖4项）、自然科学奖二等奖1项；教学成果奖15项（含特等奖3项）。获批国家级项目43项（含国家重点研发计划2项），省级以上科研项目255项，纵向经费5993.75万元。产学研合作签约1800余项，发表SCI/EI论文212篇（含顶级期刊35篇），出版专著8部，授权发明专利570余项。依托控制科学与工程省级重点学科及机械工程等校级学科，形成跨学科研究团队，具备承担重大科研任务和国际合作能力，科研条件与经费保障充足。

陈其工

二级教授，博士生导师，研究方向为网络控制、电力电子技术、智能微电网系统等。

宛新春

硕士研究生，研究方向为SiC MOSFET器件的应用和电机控制器设计。

杨锦涛

硕士研究生，研究方向为SiC MOSFET器件的应用和电机控制器设计。

武逸飞

硕士研究生，研究方向为SiC MOSFET器件的应用和锂电池健康度检测。

本工作成果发表在2025年第4期《电工技术学报》，论文标题为“基于栅极和漏极电压检测的SiC MOSFET短路保护电路研究“。本课题得到国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目的支持。

引用本文

宛新春, 陈其工, 杨锦涛, 武逸飞. 基于栅极和漏极电压检测的SiC MOSFET短路保护电路研究[J]. 电工技术学报, 2025, 40(4): 1145-1155. Wan Xinchun, Chen Qigong, Yang Jintao, Wu Yifei. Research on SiC MOSFET Short-Circuit Protection Based on Gate and Drain Voltage Detection. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(4): 1145-1155.

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