上一篇我们阐述了米勒钳位在SiC驱动中的关键作用。本文将继续深入，解析SiC驱动的短路保护机制，并阐述测试平台搭建的核心要点。尽管短路保护的理论与设计已很成熟，但其真正的价值体现在实际应用的可靠性上。SiC器件具备更快的开关速度与更大的短路电流，这对保护的快速响应与鲁棒性提出了严苛考验。希望本文能为您验证SiC驱动的短路保护功能，提供切实的参考与帮助。

短路保护第一步：检测

实现短路保护的首要步骤，是准确、快速地检测到短路故障。通常，我们将短路分为两类：一类短路（桥臂直通） 与二类短路（负载或相间短路）。在设计中，驱动电路通常能确保对一类短路的可靠保护，但对于二类短路，则往往不会做出明确的承诺。

这背后的原因是什么？核心差异在于故障特性。一类短路发生在同一桥臂内部，回路杂散电感极小，其电流上升率（di/dt）极高，对开关管构成最直接、最严峻的威胁，是保护设计的首要目标和硬性指标。而二类短路路径上的杂散电感较大，电流上升相对缓慢，但其诊断更为复杂，常常需要系统层级的协同保护。

将短路检测方案归类，核心无外乎两种：退饱和检测 与 di/dt检测。

二者的选择，很大程度上取决于功率模块的自身结构。di/dt 检测作为一种更“定制化”的方案，需要模块提供辅助端子或特殊设计作为支撑，这在 EconoDual 等标准化封装中难以实现。相比之下，退饱和检测的通用性更强，因而成为了当下 SiC 驱动保护的绝对主流。其经典电路与工作原理已非常成熟，读者可轻松在网上找到相关资料。

退饱和检测有一个非常重要的前提，就是模块能够进入退饱和的状态。如果把SiC器件看作一个水阀，饱和区相当于阀门开得足够大，水流（电流）的大小完全由水压和水管粗细（外部电路）决定。此时，阀门（SiC器件）本身只承受一个很小的、固定的压降（相当于器件的 Vds(sat) 或 Vds(on)）。而退饱和则相当于现在有一个巨大的外力试图推动水流（短路），但你的阀门开度（栅极电压）是固定的。水流太大，以至于阀门两端的压差（Vds(desat)）急剧升高，它不再处于那个“低阻、低压降”的状态了。这个压差就是我们检测短路的关键参数。

下面是从实际测试当中摘取的波形。我们可以从波形中看到，当模块进入退饱和的状态时，Vds电压在下降到0V之前有一个明显的抬升动作。此时最低点的电压就是上面说到的Vds（desat）。而没有退保和的波形则和正常双脉冲波形类似。

短路保护第二步：执行

检测到短路后，保护流程随即启动。不同厂家的驱动芯片在信号逻辑上各有不同，下图展示了飞仕得SiC驱动的典型保护序列：

-故障屏蔽期 (消隐时间 t_BL)：短路发生后，保护并非立即动作，而是先进入一段极短的屏蔽期。此举旨在规避器件开通瞬间可能引起的电流误判，确保可靠性。

-故障判定期 (RC充电时间 t_RC)：屏蔽期结束后，故障信号通过RC电路充电，当其电压达到设定阈值VREF时，初步确认故障发生。

-故障确认期 (数字滤波 t_{DS_FLT})：为杜绝干扰信号导致的误报，驱动芯片内置的数字滤波器将再次进行延时确认，至此，短路故障被最终锁定。

-安全关断期 (软关断)：保护确认后，驱动将执行软关断（采用大电阻关断），平缓降低关断电流，确保模块安全地退出工作状态。

相比于IGBT，SiC的短路保护难点核心在于“快”和“稳”。对比下面两个短路保护过程。我们可以看到：
1.SiC的短路保护响应时间（约1.5μs）与完全关断时间（< 3μs）均远短于IGBT（分别为4μs与6-8μs）。这意味着驱动电路必须在极为有限的时间预算内，完成从故障识别到安全关断的全过程。这一改变使得驱动设计的核心，聚焦于滤波时间常数与检测电压阈值的精确协同，任何不当的配置都可能导致保护失效或误动作。

2. 对比IGBT的Vce与SiC MOSFET的Vds在退饱和时的状态，一个关键区别在于：SiC的退饱和电压变化幅度更小。这意味着，用于判断短路的电压“窗口”更窄，使得准确检测变得更为困难。因此，检测电路必须具备更高的精度和分辨能力，其核心设计目标是在不干扰正常工作的前提下，精准捕捉到这一微弱的故障信号。

3. IGBT与SiC的短路电流特性迥异：前者快速进入平台期，后者则在保护窗口内持续线性增长（理论上达到峰值后电流进入衰减阶段，但此时模块已经损坏，没有保护的意义）。这一差异导致SiC在短路期间的能量积累更为显著，因此必须严格关注其短路耐受能量。不同厂商模块的耐受能力差别巨大。

短路保护测试：测试平台

短路保护测试本质上是高风险的。当前SiC模块工艺仍在演进中，其耐受能力存在分散性，使得测试中发生模块失效（即“炸管”） 的概率显著增加。因此，建立一套科学、安全且可控的测试流程至关重要。进行此类测试的首要环节，便是在受控条件下，安全、可靠地模拟出短路故障。

目前常见的短路测试方式主要有使用短接铜排/铜线或者让上下管同开造成桥臂直通。如下图所示的两并联测试平台，母排的DC和AC侧通过铜排进行了短接。在测试过程中切记保持探头和铜排之间的距离，防止铜排上的大电流对探头造成的影响。在实际测试中，我们建议：

1. 对铜排进行绝缘处理，防止不必要的意外

2. 门极探头使用地线环（将探头直接焊接在栅极（G）和源极（S））或者光隔离探头，其他探头在测试时受到干扰的可能性极大

3. 铜排/铜线尽可能短且粗来降低杂感，模拟真实的一类短路环境

除了前述的铜排短接法，另一种高保真的测试方案是驱动上下管同时开通，以模拟最真实的桥臂直通工况。该方法能精准复现一类短路，其核心挑战在于如何生成两个完全同步且精准可控的开通信号。为此，飞仕得自研的实验室动态测试设备ME400D提供了完美的解决方案。它不仅能轻松实现精确的上下管同开控制，更能将短路保护测试与常规双脉冲测试的效率提升至全新高度，实现全流程的自动化测试与智能波形分析。

以下波形是我们使用ME400D在内部做的三并联SiC短路测试波形示例。使用的是我们为ED3封装设计的驱动2FHD0620。（蓝色：门极信号（上图），Vds（下图），其余波形为电流）

短路保护测试：测试过程

SiC短路测试与IGBT的一大区别在于可从低压起步。为确保安全，建议的标准化流程是：首先在20V低压下验证系统工作正常；然后从100V开始，以100V为步长逐级升压进行测试；且每次测试后必须保持5-10分钟的间隔，用于模块冷却与系统恢复。如果测试过程中出现炸管或者一些异常，切记第一时间下电，不要带高压操作。

短路保护测试：波形分析

接下来是飞仕得在实际测试中分析波形的一些经验。首先我们仍然以上面提到的波形为例。在短路测试当中，除了大家熟知的电压电流之外，我们还需要关注哪些细节：

1. 并非所有的SiC模块都可以顺利的进入退保和状态。假设我们使用了一个1200V/300A的模块，在测试当中我们经常会遇到到了400V甚至500V都无法退饱和的情况，再往上继续测试如果模块仍然不退饱和风险极大，这个时候我们可以采取两个措施来尽可能保证安全：

1. 对比门极波形：在模块趋近退饱和时，门极波形的持续时间会越来越接近短路保护响应时间，可以通过这个判断模块是否有进入退饱和状态的趋势。

2. 加大关断电阻，由于驱动在检测到退保和之前都是硬关断，只要Vds尖峰不超过模块耐压，整个短路过程的损耗是相对较低的，模块过流损坏的风险较低。这样可以继续抬升母线电压来对模块做摸底测试。

2. 并非每次测试都是顺利的，如果发生炸管，我们也可以从波形中进行一些分析。如下面这个炸管的波形。其中我们需要关注以下几个非常关键的点：

1. 在炸管之前整个短路过程的能量，这可以帮助我们评估模块的短路耐受能力。

2. 炸管时门极和电流是否开始下降，如果下降，则可以间接证明驱动的保护功能正常工作，如果没有，则很有可能驱动的信号收到了干扰。

3. 此时Vds的电压尖峰，这直接决定了我们接下来更改软关断电阻时的选值。更小的软关断电阻可以让关断更快但是也会造成Vds尖峰过高的问题。

3. 为了尽可能详细验证驱动的短路保护能力，多种数据需要进行记录：

短路测试毫无疑问是非常考验勇气的测试，再多理论分析最终还是要在测试台架上进行测试。特别是经历了炸管之后，每一次测试都会提心吊胆。在这里也要向在打短路的各位工程师报以衷心的敬佩！