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  • SiC MOSFET短路特性,短路保護解析
    • 發布時間:2022-12-30 17:14:04
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    SiC MOSFET短路特性,短路保護解析
    SiC MOSFET的短路保護
    1.短路故障是導致SiC MOSFET失效的重要原因之一,盡管SiC MOSFET具有較好的導熱性能,但與Si器件和SiC MOSFET的短路性能相比,SiC MOSFET的短路保護在以下幾個方面更具挑戰性。
    (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較弱的界面質量會帶來柵極氧化層可靠性問題,由于SiC MOSFET需要更高的正向柵極偏壓,柵電場的增高會進一步加劇短路時柵極氧化層退化問題;
    (3)為了確保SiC MOSFET可靠運行在安全工作區內,其較弱的短路承受能力就要求短路保護電路具有更快地響應速度。然而,與Si器件相比,SiC MOSFET 的結電容更小、開關速度更高。
    SiC MOSFET獨特的正溫度系數跨導導致其開通時的dI/dt和dV/dt 隨著結溫的升高均增大。在較高的dI/dt和dV/dt 條件下,SiC MOSFET 短路保護電路的快速響應與抗噪聲能力難以兼顧。
    2.短路故障類型
    SiC MOSFET 短路保護 電路
    由于短路回路電感較小,一類短路故障電流上升快,對器件危害大,保護難度較高。
    3.短路測試方法
    兩種常見的短路測試方法
    SiC MOSFET 短路保護 電路
    (1)基于雙脈沖測試的短路測試方法。
    該方法使用“粗短銅排”代替雙脈沖測試電路中的負載電感來模擬短路。
    SiC MOSFET 短路保護 電路
    當脈沖發生器向驅動 器 1 發送高電平信號時,打開上橋臂 SiC MOSFET,再向驅動器 2 發送高電平信號,就可以實現 HSF;
    當脈沖發生器向驅動器 2 發送一個信號使待測 SiC MOSFET 正常開啟時,再向短路控制開關 S 1 發送閉 合信號使故障電感 LFault 接入功率回路,就可以實現FUL。
    (2)基于非線性元件的無損短路測試方法。
    SiC MOSFET 短路保護 電路
    不同的 SiC MOSFET 短路測試方法如圖所示。該方法是在被測 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內阻較低,與SiC MOSFET 相比飽和電流更小。
    當脈沖發生器通過驅動器1開啟該非線性元件時,再通過驅動器2開啟待測器件就可以模擬HSF。當短路電流達到該元件的飽和電流時,短路電流就會被 限制。當短路電流持續增大時,該元件就會“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失效和熱逃逸失效;
    SiC MOSFET 短路保護 電路
    SiC MOSFET 短路保護 電路
    通過兩種失效模式的現象和成因不難看出,短路能量較低時可能會導致SiC MOSFET柵源極失效,而短路能量較高時可能會使 SiC MOSFET發生熱逃逸失效。SiC MOSFET 柵-源極失效時不一定會發生熱逃逸失效,但是熱逃逸失效發生時必定伴隨有柵-源極失效。
    5.短路保護技術
    SiC MOSFET 短路保護 電路
    6.短路關斷策略
    (1)大電阻關斷。大電阻關斷是在檢測到短路后,利用大阻值柵電阻來減緩關斷電流下降速率從 而實現關斷過電壓的抑制。
    然而,大電阻關斷在抑制關斷過電壓的同時也致使關斷延遲時間增大,導致 SiC MOSFET 不能及時關斷,為此,在關斷過程中采用不同柵極電阻關斷 SiC MOSFET 短路電流,從而兼顧了SiC MOSFET 短路關斷過電壓與關斷延遲時間,但大電阻關斷可能導致 SiC MOSFET因關斷損耗過大而發生失效。
    (2)降柵壓關斷。降柵壓關斷是在檢測到短路后,先緩慢降低柵極電壓,使 SiC MOSFET 維持導通狀態。在較低柵極電壓下,SiC MOSFET漏極電流會被限制在較低水平,經過一定延遲后,再采用負壓關斷短路電流。該方法通過緩降柵壓抑制短路電流,從而降低短路關斷過電壓,但是該方法需要多種柵極電壓,電路結構實現復雜。
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