詳解SiC MOSFET的短路檢測(cè)及短路保護(hù)-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2022-03-03
1、SiC MOSFET的晶元面積小于IGBT晶元面積，短路時(shí)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(diǎn)電壓非常高，因此Id電流增加的同時(shí)，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(huì)被嵌位到Vce+Vd，當(dāng)IGBT進(jìn)入退飽和拐點(diǎn)后，Vce迅速上升，Dhv由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗娏髟囱杆賹?duì)Cblk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(diǎn)”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(guò)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(duì)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
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(shí)器件承受母線電壓。我們需要首先對(duì)這種短路模式下的MOSFET的行為進(jìn)行研究。
短路測(cè)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(guò)后，漏極電流開(kāi)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?yàn)檩d流子遷移率隨溫度的上升而下降，從而短路電流下降。
測(cè)試波形證實(shí)了TO-247封裝的4pin CoolSiC? MOSFET 在15V門極驅(qū)動(dòng)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(cè)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(dòng)電壓過(guò)高或者母線電壓過(guò)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(zhǎng)到4us時(shí)，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(huì)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(duì)峰值電流影響很小。
當(dāng)芯片開(kāi)始被加熱之后，800V母線電壓會(huì)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(shí)，漏極電流下降更快，峰值過(guò)后很快低于400V VDC。
圖3 IMZ120R045M1在不同母線電壓下的短路電流
目前有4種常用的短路檢測(cè)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(cè)漏極電流。業(yè)界最常用的方法是檢測(cè)飽和壓降。
MOSFET正常導(dǎo)通時(shí)漏極電壓約為1~2V。短路發(fā)生時(shí)，短路電流會(huì)迅速上升至飽和值，漏極電壓也會(huì)上升至母線電壓。一旦測(cè)試到的Vds高于預(yù)設(shè)的參考值，被測(cè)器件會(huì)被認(rèn)為進(jìn)入短路狀態(tài)。
另一個(gè)典型的短路檢測(cè)解決方案是監(jiān)測(cè)di/dt. 在高功率IGBT模塊中，開(kāi)爾文發(fā)射極與功率發(fā)射極之間存在寄生電感。在開(kāi)關(guān)操作中，變化的電流會(huì)在電感兩端產(chǎn)生電壓VeE。通過(guò)檢測(cè)這個(gè)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(cè)需要一定的消隱時(shí)間防止誤觸發(fā)。另外，基于di/dt的檢測(cè)方式依賴于寄生電感LeE的值。
除此之外，短路檢測(cè)還可以通過(guò)檢測(cè)門極電荷的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。短路發(fā)生時(shí)，門極波形不同于正常開(kāi)關(guān)波形，不存在米勒平臺(tái)。這種方法不需要消隱時(shí)間，也不依賴LeE.
圖4 4種SiC MOSFET的短路檢測(cè)及保護(hù)方法
在實(shí)際應(yīng)用中，門極電壓對(duì)于驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET來(lái)說(shuō)非常重要，盡管更高的驅(qū)動(dòng)電壓可以帶來(lái)降低RDSON的好處，但是較高的門極電壓會(huì)帶來(lái)更高的短路電流。
SiC MOSFET 與IGBT相比短路耐受時(shí)間比較短。但是，選擇合適的驅(qū)動(dòng)IC及外圍電路設(shè)置，SiC MOSFET依然能在短路時(shí)安全關(guān)斷，從而構(gòu)建非常牢固與可靠的系統(tǒng)。
聯(lián)系方式：鄒先生
聯(lián)系電話：0755-83888366-8022
手機(jī)：18123972950
QQ：2880195519
聯(lián)系地址：深圳市福田區(qū)車公廟天安數(shù)碼城天吉大廈CD座5C1
請(qǐng)搜微信公眾號(hào):“KIA半導(dǎo)體”或掃一掃下圖“關(guān)注”官方微信公眾號(hào)
請(qǐng)“關(guān)注”官方微信公眾號(hào):提供 MOS管 技術(shù)幫助
免責(zé)聲明：本網(wǎng)站部分文章或圖片來(lái)源其它出處，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除。
