詳解SiC MOSFET的短路檢測及短路保護(hù)-KIA MOS管

SiC MOSFET短路保護(hù)理解

1、SiC MOSFET的晶元面積小于IGBT晶元面積，短路時候散熱能力不及IGBT。

2、IGBT短路后能夠退飽和（desaturation）進(jìn)入線性區(qū)，電流不再增加，能夠自我限流。

3、短路后SiC MOSFET 由線性區(qū)（linear region）進(jìn)入飽和區(qū)（saturation region），拐點電壓非常高，因此Id電流增加的同時，Vds隨著上升，進(jìn)一步擴(kuò)大短路損耗。

4、IGBT退飽和保護(hù)機(jī)理，如下圖，正常工作Cblk 電壓會被嵌位到Vce+Vd，當(dāng)IGBT進(jìn)入退飽和拐點后，Vce迅速上升，Dhv由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗娏髟囱杆賹blk充電，抬高電壓DESATFault 位置。

IGBT 退飽和電路

5、由于SiC MOSFET的“退飽和拐點”非常高，Vds的響應(yīng)速度非常慢，一般不采用Vce電壓進(jìn)行“退飽和”操作，通過采樣電阻電流采樣，精度高。但是損耗大，在小電流應(yīng)用中使用。

電流采樣

6、對于大電流應(yīng)用，傾向于帶有SENSE PIN的MOSFET進(jìn)行電流采樣，Rs上電流和主管上的電流存在一定的比例關(guān)系，從而減小采樣電阻上電壓。

電流采樣

SiC MOSFET短路特性

功率器件有多種不同的短路模式，其中最嚴(yán)重的一種是橋臂短路，在這種短路模式下，電流迅速上升，同時器件承受母線電壓。我們需要首先對這種短路模式下的MOSFET的行為進(jìn)行研究。

短路測試如圖1所示。

圖2 為400V和800V兩種母線電壓下，且門極電壓在12V,15V,18V情況下的短路電流波形。短路起始階段，漏極電流快速上升并且到達(dá)最高值，在門極電壓分別為12V和15V情況下，電流峰值分別為170A和270A。

電流峰值過后，漏極電流開始顯著下降，門極電壓為12V和15V的情況下分別為130A和180A。這是因為載流子遷移率隨溫度的上升而下降，從而短路電流下降。

測試波形證實了TO-247封裝的4pin CoolSiC? MOSFET 在15V門極驅(qū)動電壓條件下，擁有至少3us的短路能力。

短路脈沖結(jié)束后，可能發(fā)生兩種情況：1、被測器件安全關(guān)斷，漏極電流降至0A。

2、短路期間積累的能量超出了器件極限，比如門極驅(qū)動電壓過高或者母線電壓過高，都可能引起熱失控，導(dǎo)致器件失效，如圖2(b)中綠線所示。

這條曲線表示的是母線電壓800V，門極電壓為18V的情況下，在短路脈沖延長到4us時，器件發(fā)生失效。

從圖2中我們可以看出，短路電流與門極電壓成正相關(guān)，更高的門極電壓導(dǎo)致更高的短路電流，因此引起更高的結(jié)溫與更低的載流子遷移率。因此高門極電壓下的Id下降幅度會更大。

圖2 IMZ120R045M1在不同門極電壓下的短路電流波形(a) Vdc=400V (b)Vdc=800V

圖3顯示了IMZ120R045M1 在15V門極電壓，以及400V及800V母線電壓下的短路電流。從中可以看出，母線電壓對峰值電流影響很小。

當(dāng)芯片開始被加熱之后，800V母線電壓會產(chǎn)生更多的能量，導(dǎo)致芯片結(jié)溫高于400V母線電壓的情況，因此VDC=800時，漏極電流下降更快，峰值過后很快低于400V VDC。

圖3 IMZ120R045M1在不同母線電壓下的短路電流

SiC MOSFET 短路保護(hù)方法

目前有4種常用的短路檢測及保護(hù)方法，其原理示意圖如圖4所示。其中最直接的方式就是使用電流探頭或者分流電阻檢測漏極電流。業(yè)界最常用的方法是檢測飽和壓降。

MOSFET正常導(dǎo)通時漏極電壓約為1~2V。短路發(fā)生時，短路電流會迅速上升至飽和值，漏極電壓也會上升至母線電壓。一旦測試到的Vds高于預(yù)設(shè)的參考值，被測器件會被認(rèn)為進(jìn)入短路狀態(tài)。

另一個典型的短路檢測解決方案是監(jiān)測di/dt. 在高功率IGBT模塊中，開爾文發(fā)射極與功率發(fā)射極之間存在寄生電感。在開關(guān)操作中，變化的電流會在電感兩端產(chǎn)生電壓VeE。通過檢測這個電壓，即可以判斷器件是否進(jìn)入短路狀態(tài)。

導(dǎo)通狀態(tài)下，Vds檢測需要一定的消隱時間防止誤觸發(fā)。另外，基于di/dt的檢測方式依賴于寄生電感LeE的值。

除此之外，短路檢測還可以通過檢測門極電荷的特性來實現(xiàn)。短路發(fā)生時，門極波形不同于正常開關(guān)波形，不存在米勒平臺。這種方法不需要消隱時間，也不依賴LeE.

圖4 4種SiC MOSFET的短路檢測及保護(hù)方法

在實際應(yīng)用中，門極電壓對于驅(qū)動SiC MOSFET來說非常重要，盡管更高的驅(qū)動電壓可以帶來降低RDSON的好處，但是較高的門極電壓會帶來更高的短路電流。

SiC MOSFET 與IGBT相比短路耐受時間比較短。但是，選擇合適的驅(qū)動IC及外圍電路設(shè)置，SiC MOSFET依然能在短路時安全關(guān)斷，從而構(gòu)建非常牢固與可靠的系統(tǒng)。

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