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  • SiC MOSFET短路特性,短路保護(hù)解析
    • 發(fā)布時(shí)間:2022-12-30 17:14:04
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    SiC MOSFET短路特性,短路保護(hù)解析
    SiC MOSFET的短路保護(hù)
    1.短路故障是導(dǎo)致SiC MOSFET失效的重要原因之一,盡管SiC MOSFET具有較好的導(dǎo)熱性能,但與Si器件和SiC MOSFET的短路性能相比,SiC MOSFET的短路保護(hù)在以下幾個(gè)方面更具挑戰(zhàn)性。
    (1)首先,在相同額定電流容量下,SiC MOSFET芯片面積小,電流密度高,這就導(dǎo)致SiC MOSFET短路承受能力較弱;
    (2)其次,在短路工況下,SiC MOSFET較弱的界面質(zhì)量會(huì)帶來(lái)柵極氧化層可靠性問(wèn)題,由于SiC MOSFET需要更高的正向柵極偏壓,柵電場(chǎng)的增高會(huì)進(jìn)一步加劇短路時(shí)柵極氧化層退化問(wèn)題;
    (3)為了確保SiC MOSFET可靠運(yùn)行在安全工作區(qū)內(nèi),其較弱的短路承受能力就要求短路保護(hù)電路具有更快地響應(yīng)速度。然而,與Si器件相比,SiC MOSFET 的結(jié)電容更小、開(kāi)關(guān)速度更高。
    SiC MOSFET獨(dú)特的正溫度系數(shù)跨導(dǎo)導(dǎo)致其開(kāi)通時(shí)的dI/dt和dV/dt 隨著結(jié)溫的升高均增大。在較高的dI/dt和dV/dt 條件下,SiC MOSFET 短路保護(hù)電路的快速響應(yīng)與抗噪聲能力難以兼顧。
    2.短路故障類型
    SiC MOSFET 短路保護(hù) 電路
    由于短路回路電感較小,一類短路故障電流上升快,對(duì)器件危害大,保護(hù)難度較高。
    3.短路測(cè)試方法
    兩種常見(jiàn)的短路測(cè)試方法
    SiC MOSFET 短路保護(hù) 電路
    (1)基于雙脈沖測(cè)試的短路測(cè)試方法。
    該方法使用“粗短銅排”代替雙脈沖測(cè)試電路中的負(fù)載電感來(lái)模擬短路。
    SiC MOSFET 短路保護(hù) 電路
    當(dāng)脈沖發(fā)生器向驅(qū)動(dòng) 器 1 發(fā)送高電平信號(hào)時(shí),打開(kāi)上橋臂 SiC MOSFET,再向驅(qū)動(dòng)器 2 發(fā)送高電平信號(hào),就可以實(shí)現(xiàn) HSF;
    當(dāng)脈沖發(fā)生器向驅(qū)動(dòng)器 2 發(fā)送一個(gè)信號(hào)使待測(cè) SiC MOSFET 正常開(kāi)啟時(shí),再向短路控制開(kāi)關(guān) S 1 發(fā)送閉 合信號(hào)使故障電感 LFault 接入功率回路,就可以實(shí)現(xiàn)FUL。
    (2)基于非線性元件的無(wú)損短路測(cè)試方法。
    SiC MOSFET 短路保護(hù) 電路
    不同的 SiC MOSFET 短路測(cè)試方法如圖所示。該方法是在被測(cè) SiC MOSFET的短路回路中串入非線性元件,如圖所示。非線性元件在額定電流時(shí)內(nèi)阻較低,與SiC MOSFET 相比飽和電流更小。
    當(dāng)脈沖發(fā)生器通過(guò)驅(qū)動(dòng)器1開(kāi)啟該非線性元件時(shí),再通過(guò)驅(qū)動(dòng)器2開(kāi)啟待測(cè)器件就可以模擬HSF。當(dāng)短路電流達(dá)到該元件的飽和電流時(shí),短路電流就會(huì)被 限制。當(dāng)短路電流持續(xù)增大時(shí),該元件就會(huì)“熔斷”。
    4.短路失效模式
    目前,SiC MOSFET的短路失效模型主要有柵源級(jí)失效和熱逃逸失效;
    SiC MOSFET 短路保護(hù) 電路
    SiC MOSFET 短路保護(hù) 電路
    通過(guò)兩種失效模式的現(xiàn)象和成因不難看出,短路能量較低時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致SiC MOSFET柵源極失效,而短路能量較高時(shí)可能會(huì)使 SiC MOSFET發(fā)生熱逃逸失效。SiC MOSFET 柵-源極失效時(shí)不一定會(huì)發(fā)生熱逃逸失效,但是熱逃逸失效發(fā)生時(shí)必定伴隨有柵-源極失效。
    5.短路保護(hù)技術(shù)
    SiC MOSFET 短路保護(hù) 電路
    6.短路關(guān)斷策略
    (1)大電阻關(guān)斷。大電阻關(guān)斷是在檢測(cè)到短路后,利用大阻值柵電阻來(lái)減緩關(guān)斷電流下降速率從 而實(shí)現(xiàn)關(guān)斷過(guò)電壓的抑制。
    然而,大電阻關(guān)斷在抑制關(guān)斷過(guò)電壓的同時(shí)也致使關(guān)斷延遲時(shí)間增大,導(dǎo)致 SiC MOSFET 不能及時(shí)關(guān)斷,為此,在關(guān)斷過(guò)程中采用不同柵極電阻關(guān)斷 SiC MOSFET 短路電流,從而兼顧了SiC MOSFET 短路關(guān)斷過(guò)電壓與關(guān)斷延遲時(shí)間,但大電阻關(guān)斷可能導(dǎo)致 SiC MOSFET因關(guān)斷損耗過(guò)大而發(fā)生失效。
    (2)降柵壓關(guān)斷。降柵壓關(guān)斷是在檢測(cè)到短路后,先緩慢降低柵極電壓,使 SiC MOSFET 維持導(dǎo)通狀態(tài)。在較低柵極電壓下,SiC MOSFET漏極電流會(huì)被限制在較低水平,經(jīng)過(guò)一定延遲后,再采用負(fù)壓關(guān)斷短路電流。該方法通過(guò)緩降柵壓抑制短路電流,從而降低短路關(guān)斷過(guò)電壓,但是該方法需要多種柵極電壓,電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。
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