SiC MOSFET学习笔记2:短路保护—软关断

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上次我们讨论了功率器件的短路保护(过流保护)最常见方法:退饱和检测,这次继续

想象一个场景:一辆高端新能源车行驶在高速公路上,作为把电池中的直流电转化为交流电送到电机的核心部件,SiC MOSFET的上管和下管都工作得好好的,你关我开,你开我关,突然在某一个时刻,下管好端端的开着,上管莫名其妙的开了,结果就是电流直接从电池正极通过上管,然后直接流过下管,流到负极,此时电流可能从一开始的几十A迅速上升到几千A,同时母线电压也加到了MOSFET上,功率模块发生了短路(硬开关短路故障)

VDS

如图,可以看到,红色线表示的电流在0.5us内就冲到了3000A以上,而此时VDS根本没有降下来,也就是说器件压根就没进入饱和区就直接退出了,此时的高压*大电流,功率极高,芯片内部温度急剧升高,几个微秒之内可能就升到了300℃以上。

一旦芯片的温度超过芯片材料的本征区,芯片就会因过热而失效(烧毁),因此,需要在芯片达到温度极限前迅速把电流降下来,关掉器件。

前面我们提到了怎么检测出这个异常状态,今天我们讨论这个时间关系。

VDS

依然是这张图,器件开启后,在内部前沿消影时间TDESAT leb内,是不检测的,然后采样电容Cblank在经过Blanking time充电后,到达那个设置的DESAT点(图中是9V),此时比较器电平反转,此时有一个滤波时间TDESAT filter,然后关断指令传递到栅极,这个是逻辑和驱动的动作延时时间T delay,此时栅极才关断。从发现故障到栅极开始真正关断的反应时间被称为TDESAT OUT。一般反应时间有100多ns以上。

好的,现在故障发现了,关管的指令也下达了,是不是意味着此时万事大吉了呢?还不行,还要考虑一种情况,那就是关断电流很大,快速关管的过程中,超高的di/dt结合回路杂散电感,会在DS两端形成一个非常高的电压峰值,一旦这个电压尖峰大于芯片的耐压极限,那么芯片也会因为电场强度太高而被击穿!(下图Vcepeak高了母线电压312V)

VDS

为了避免这种情况,不知道哪个大神发明了一种办法,不就是di/dt太高嘛,那我想办法把di/dt降一点好了,让电流先降下来,然后再快速关断,于是,软关断技术诞生了。

很多软关断本质上是二极关断,也就是先把控制开关的栅极电压降一部分(不直接降到0以下),把电流降下来,同时稳住VDS不上升,等电流降得差不多了,再一把关掉,此时,因为电流小了很多,因此di/dt也大不到哪里去,于是VDS的尖峰也高不到哪里去

VDS

VDS

从这两张图就可以看得非常明显,在0时刻发生短路,1us后DESAT脚电压超过比较电压发现故障,大约在1.5us时刻,栅极接收到信号进行关断动作,但是栅极并不是直接把栅压降到0或负值,而是先降到大概9V左右,维持一段时间(称为保持时间TTLSET),大概到了3us的时刻,电流此时已经降下来了,栅压迅速从此时的9V降到-4V,此时为3.5us,也就说,第一段关断,大约花了1.5us,而第二段关断,只花了0.5us,通过这种分级关断的方式,最大程度地降低了VDS两端的电压尖峰,从而保证了器件的安全关断。

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