【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LTspice仿(fang)真(zhen)軟(ruan)件(jian)上(shang)進(jin)行(xing)了(le)仿(fang)真(zhen)。短(duan)路(lu)保(bao)護(hu)測(ce)試(shi)是(shi)基(ji)於(yu)單(dan)端(duan)器(qi)件(jian)的(de)硬(ying)開(kai)關(guan)故(gu)障(zhang)短(duan)路(lu)

，而(er)過(guo)流(liu)保(bao)護(hu)是(shi)在(zai)典(dian)型(xing)的(de)雙(shuang)脈(mai)衝(chong)測(ce)試(shi)電(dian)路(lu)上(shang)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)。在(zai)短(duan)路(lu)期(qi)間(jian)，漏(lou)極(ji)電(dian)流(liu) 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。

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