摘 要：
为了提高用于直流微电网的SiCMOSFET固态断路器（SSCB）的可靠性，对其在较大电感条件下的短路特性和短路保护电路进行了研究。首先对SSCB短路电流分断过程进行了分析，给出了金属氧化物压敏电阻（MOV）的选型依据。在此基础上通过实验研究了不同直流母线电压、不同功率器件结温和不同故障电感下下SSCB的短路特性，揭示了SSCB的短路失效模式，分析了SSCB短路电流分断能力的影响因素。设计了基于现场可编程门阵列（FPGA）的电压源型退饱和保护电路，并制作了样机。实验结果表明，所设计的退饱和保护电路实现了短路保护的快速响应，响应时间为593ns，可有效保护SSCB中的SiCMOSFET。
引言
直流微电网具有高效灵活的优势，广泛应用于分布式能源供应系统中。直流微电网发生短路故障时，系统阻抗变小，短路电流没有自然过零点，导致其增加速度快，通常几毫秒就会使换流器中的绝缘栅双极晶体管（IGBT）发生热失控进而烧毁，这对直流微电网的保护提出了极高的要求。传统的机械断路器，其短路电流切除时间通常为毫秒级'，不能满足直流微电网的要求。而基于功率半导体器件的直流固态断路器（solid state circuitbreaker，SSCB），其故障电流分断时间通常为微秒级，可大幅提高直流微电网的可靠性。
SSCB使用功率半导体器件分断电流，常用的功率半导体器件有IGBT、集成门极换流晶闸管（IGCT）、门极关断晶闸管（GTO）、SiC结型场效应晶体管（JFET）、SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等。相比于Si器件，SiC功率器件具有临界击穿电场强度大、热导率高、导通电阻低的优点，是用于SSCB的理想器件。理解SSCB工况下SiCMOSFET的短路特性，是将其成功应用于SSCB的必要条件。不同于换流器工况下发生硬开关故障以及直通短路故障时微小的回路电感（nH量级），直流微电网发生短路故障时，通常具有较大的故障电感（μH量级）。故障电感的大小与短路点的位置相关，短路点距离SSCB越近故障电感越小。此外电感型直流故障限流器的使用2，也会增大短路故障发生时系统中的等效故障电感。较大的故障电感减小了短路电流的上升速率，延长了功率器件的短路耐受时间。微小回路电感下SiCMOSFET的短路特性目前已得到了广泛研究。X.C.Deng等人研究了Rohm公司双沟槽栅结构的1200V/55ASiCMOSFET（型号SCT3040KL）和Infineon公司非对称沟槽栅结构的1200V/52ASiCMOSFET（型号IMW120R045M1）在发生硬开关故障时的短路特性，在400V直流母线电压下，两种SiCMOSFET的短路耐受时间均约为15μus；在800V直流母线电压下，两种SiCMOSFET的短路耐受时间分别为5.8μs和5.2μs。Z.Q.Wang等人和C.Chen等人研究了Wolfs-peed公司第一代1200V/42ASiCMOSFET（型号CMF20120D）、第二代1200V/36ASiCMOSFET（型号为C2M0080120D）以及Rome公司1200V/40ASiCMOSFET（型号SCT2080KE）的短路特性，器件的短路耐受时间随直流母线电压和环境温度的增加而减小。在600V直流母线电压、25℃环境温度下，上述三种SiCMOSFET的短路耐受时间分别约为12、8和17μs。
目前对于SiC MOSFET在较大电感下的短路特性的相关研究较少。L.Ravi等人研究了基于1200V/115ASiCMOSFET（Wolfspeed公司，型号C3M0016120D）的断路器在不同故障电感和栅极电阻下的短路特性并进行了破坏性测试，但未考虑环境温度和直流母线电压的影响。
基于漏源导通电压（VDS,on）检测的退饱和保护方法在SiCMOSFET短路保护中得到了广泛应用。党子越等人设计了一种GaN退饱和保护电路并给出了设计准则，其保护响应时间约为3μs。秦海鸿等人将商用驱动芯片1ED020I12-F2应用于SSCB的短路检测与保护，其动作响应时间约为1μs。S.Q.Ji等人设计了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的电压源型退饱和保护电路，用于10kVSiCMOSFET的短路保护，其保护动作响应时间约为1.5μs。上述退饱和保护电路为了避免功率器件开通时退饱和保护的误触发，通常会设置较大的消隐时间，限制了退饱和保护的快速响应。
本文首先分析了SSCB分断过程，然后在不同直流母线电压、故障电感以及环境温度下测试了基于1200V/36A SiC MOSFET（Wolfspeed公司，型号C2M0080120D）的SSCB短路特性并进行了破坏性试验，并对SSCB的短路电流分断能力进行研究。基于SSCB的短路特性，本文设计了基于VDS,on检测的退饱和保护电路，最后通过实验验证了其有效性。
1、SSCB短路电流分断过程分析
系统发生短路故障时的等效电路如图1所示。图中Lfault为故障电感，其大小与短路点的位置有关，VDC为直流母线电压。直流SSCB由SiC MOSFET、金属氧化物压敏电阻（MOV）以及RC缓冲电路构成。
MOV用来钳位关断过电压并吸收短路能量。RC缓冲电路主要有3个作用：
①器件关断时，将器件上的电流换流到RC缓冲电路从而减小器件的关断损耗；
②增加电流向MOV支路换流的时间，即减小电流变化率（di/dt），从而降低MOV的钳位电压；
③在器件的串联应用中，RC缓冲电路起动态均压的作用。
W.A.Martin等人指出，增大器件的驱动电阻，可有效降低其关断时的di/dt，从而抑制关断过电压，但是会增大器件的关断损耗。在断路器工况下，器件不需要频繁地开断，对关断损耗并不敏感。X.Y.Zhang等人使用MOV作为串联IGCT的动态均压电路，并通过实验验证了其可行性。综上，对于SSCB，RC缓冲电路并不是必需的，所以本文所使用的SSCB拓扑不包含RC缓冲电路。
2、碳化硅SSCB短路特性测试
2.1测试平台
短路特性测试步骤如下：
①打开开关S由高压直流电源给Cpc充电到预设电压，然后关闭开关S；
②通过FPGA控制板控制DUT导通一段时间后关断，不断修改FPGA程序改变DUT导通时间，直至DUT的漏源电压大于200V。
2.2 SSCB短路失效分析
SSCB关断失败会使短路电流继续快速上升，严重威胁直流微电网的安全。理解SSCB的短路失效模式以避免发生关断失败是SSCB可靠工作的关键。在直流母线电压400V、故障电感60μH的条件下对SiC MOSFET进行了破坏性实验，实验结果如图5所示。
2.3不同直流母线电压下SSCB短路特性
在室温25℃、故障电感为60μH、直流母线电压为250、300、350、400V条件下，对SSCB进行短路特性测试，测试结果如图7所示。为了避免SSCB发生门锁损毁，当SiC MOSFET导通压降大于200V后不再继续增加器件导通时间，近似认为此时的短路电流值为饱和值。
从图7可以看出，SiCMOSFET正常导通时，其导通压降只有几伏并且退饱和点VDS=200V处对应的短路电流均可成功关断。此外随着直流母线电压的增大，短路电流峰值近似呈线性增大，由136A增加至150A；VDS从0V上升到200V的时间（短路耐受时间）缩短，由43.2μs缩短至27.7μs。在大的直流母线电压下，器件可以关断更大的短路电流，但是短路耐受时间减少。并且随着短路电流峰值的增加，器件的关断过电压尖峰略微增大。
2.4不同故障电感下SSCB短路特性
直流微电网通常具有较大的线路电感。直流微电网发生短路故障时，系统中的等效故障电感与故障点的位置有关，故障点越靠近输电线路首端，故障电感越小。为了模拟不同故障电感对SSCB短路特性的影响，在室温25℃、直流母线电压400V、故障电感10、30、60、160、280μH条件下进行短路特性测试。测试结果如图8所示。
从图8可以看出，随着故障电感的减小，短路电流的峰值增加，由122A增加到169A，短路耐受时间由95.1μs缩短至4.7μs。即在更小的故障电感下，SSCB可关断更大的短路电流，但是短路耐受时间减少。
2.5不同结温下SSCB短路特性
2.6 SSCB短路电流分断能力
3、退饱和保护电路设计
3.1退饱和保护电路工作原理
退饱和保护法广泛应用于SiC MOSFET的短路保护中。器件正常导通时导通压降很小，当发生短路故障时，短路电流迅速上升，器件导通压降升高。通过不断检测VDS，当其达到保护阈值时，关断器件。传统的退饱和保护动作响应时间较长，为了缩短响应时间，更快地切除短路故障，本文设计了一种基于FPGA的退饱和保护电路，电路结构如图11所示。
3.2保护阀值电压的选取
SiC MOSFET的输出特性曲线受环境温度的影响，如图12所示。环境温度较高时，保护阈值电压对应的电流应高于器件的额定电流，从而避免器件正常导通时误关断。由C2M0080120D型器件的数据手册可知，在环境温度为25℃和100℃下，器件额定电流分别为36A和24A。因此选择保护阈值电压为7V，其在25℃和150℃结温下对应的IDS分别为56A和35.5A，由于数据手册中未给出结温为100℃时器件的输出特性曲线，所以只能估计Vs为7V时对应的IDS为35.5~56A，均大于器件额定电流。考虑到二极管Ddes1和Ddes2的导通电压之和为0.75V，因此将Vref设定为7.75V。
3.3消隐时间设计
3.4 FPGA控制逻辑设计
3.5退饱和保护实验验证
为验证基于FPGA的退饱和电路的有效性，设计制作了退饱和保护电路样机如图14所示，退饱和保护电路主要元器件选型见表1。样机主要包括SSCB、光耦隔离驱动电路、退饱和保护电路和FPGA。在直流母线电压400V、导通电阻10Ω、关断电阻100Ω、故障电感4μH和160μH的条件下，对样机进行退饱和保护实验，测试波形如图15所示。
综上，实验较为充分地验证了基于FPGA的退饱和保护电路的有效性和可靠性，其总的响应时间为593ns，实现了退饱和保护电路的快速响应。
4、结论
本文对SiC MOSFET直流固态断路器的短路特性和短路保护电路进行了研究。短路特性测试表明在退饱和点之前，短路电流均可被成功分断。SSCB短路电流分断失败的原因为过大的短路电流使功率器件发生退饱和，功率器件结温迅速升高导致器件发生门锁而失控。增大直流母线电压以及减小故障电感均会增大短路电流的上升速率di/dt，使得功率器件以更短的时间到达退饱和点即短路耐受时间缩短，但是SSCB能够分断的最大短路电流增加。环境温度的升高会导致短路耐受时间缩短，SSCB能分断的最大短路电流减小。功率器件到达退饱和点后，仍然有约3μs的短路耐受时间，在SSCB应用中，功率器件应被保护电路及时关断，远离退饱和点工作。实验结果表明，所提出的基于FPGA的退饱和保护电路最大响应时间为593ns，可实现SSCB的快速可靠保护。
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