在設(shè)計(jì)常見的DCDC或DCAC等電路時(shí)，我們經(jīng)常遇到需要橋臂直通保護(hù)的要求。IGBT通常具有5~10us的短路耐受時(shí)間，足以應(yīng)付大部分短路工況。然而，對于SiC MOSFET器件來說，問題變得復(fù)雜了。因?yàn)樵谙嗤?a href="http://m.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流等級下，SiC MOSFET的短路耐受時(shí)間通常比IGBT小很多。這主要是因?yàn)镾iC MOSFET的芯片尺寸比傳統(tǒng)的硅基器件小很多，同時(shí)非常薄的外延層使得發(fā)熱位置更加集中。這給短路保護(hù)設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，即使是微小的系統(tǒng)設(shè)計(jì)差異也會(huì)顯著影響SiC MOSFET器件的短路表現(xiàn)。

本文中，我們將通過實(shí)驗(yàn)測試來研究如何運(yùn)用驅(qū)動(dòng)芯片的退飽和功能（DESAT）來做橋臂直通保護(hù)。具體來說，我們將探討哪些因素會(huì)影響保護(hù)響應(yīng)時(shí)間，以及如何優(yōu)化短路關(guān)斷過程中的過壓問題。值得注意的是，我們的所有測試，都是基于Ⅰ類短路工況，關(guān)斷動(dòng)作都是由驅(qū)動(dòng)芯片1ED3330MC12M本身觸發(fā)的，而不是受驅(qū)動(dòng)信號脈寬的限制。

實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)搭建

既然要做短路的討論，首先選用的SiC MOSFET本身得有一定的短路能力，比如英飛凌的CoolSiC G2單管器件在規(guī)格書中標(biāo)稱，在門極電壓為15V下時(shí)具有2us的短路耐受時(shí)間，具體測試條件如下表所示。但是大家在實(shí)際使用中門極電壓往往會(huì)用到18V而不是15V，因此，本文將通過具體實(shí)驗(yàn)的方式來展開SiC MOSFET在門極電壓為18V時(shí)的短路能力的探索，有一點(diǎn)要注意的是，由于目前沒有批量數(shù)據(jù)作為極值的界定依據(jù)，因此測試結(jié)論僅供實(shí)際應(yīng)用參考。

本次實(shí)驗(yàn)選擇了英飛凌的IMZC120R012M2H作為被測器件，驅(qū)動(dòng)板使用的是EVAL-1ED3330MC12M-SiC（文章參考：新品 | 采用半橋架構(gòu)的 1ED3330MC12M 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)的評估板設(shè)計(jì)），這塊板子上的隔離電源使用了2EP130R作為變壓器驅(qū)動(dòng)器，包含全橋MOS輸出結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)整專門的占空比引腳上的電阻值來實(shí)現(xiàn)不同隔離驅(qū)動(dòng)電壓的組合（文章參考：《新品 | 頻率和占空比可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電源用全橋變壓器驅(qū)動(dòng)器評估板》）。母排使用了英飛凌專門給雙脈沖測試插拔適配的評估板EVAL-DCLINK-DPT。兩者圖片如下：

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1ED3330MC12M是英飛凌具有DESAT保護(hù)的新款隔離型驅(qū)動(dòng)芯片，輸出電流能力達(dá)到+12A/-13A；帶米勒預(yù)驅(qū)鉗位，能實(shí)現(xiàn)最高20A的米勒電流鉗位水平；短路的報(bào)錯(cuò)響應(yīng)迅速，延時(shí)最大200ns；是高壓SiC MOSFET的理想搭檔。

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與現(xiàn)象分析

平臺(tái)搭好后，我們將依次來看哪些因素可能影響短路行為的表現(xiàn)。它們分別是門極正電壓，門極負(fù)電壓，母線電壓以及短路時(shí)間。所有的波形圖中，綠色（通道4）為VGS，藍(lán)色（通道3）為VDS，紅色（通道2）為IDS，土黃色（F1）是示波器積分計(jì)算的損耗。

結(jié)論一：門極正電壓越高，短路電流越大，損耗也越大。如圖1和圖2所示，門極18V下的短路電流，比門極15V下增加了30%多，損耗增加了20%多。

圖1. VGS=-3V/+15V，VBUS=800V，IDSmax=927A，VDSmax=1127V，ESC=342.46mJ

圖2. VGS=-3V/+18V，VBUS=800V，IDSmax=1240A，VDSmax=1270V，ESC=422.96mJ

從上面兩幅圖的結(jié)果來看，由于短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間都在1us內(nèi)，關(guān)斷時(shí)電應(yīng)力比較大，有超出1200V的情況。而解決方案將在結(jié)論四里分析。

結(jié)論二：門極負(fù)電壓越低，對短路表現(xiàn)影響很小。短路電流略有增大，但損耗卻略有減小。這是由于門極負(fù)壓更低的話會(huì)導(dǎo)致短路電流開始上升段的的di/dt有所增大，最終短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間卻變短了一點(diǎn)點(diǎn)。下面這幅圖可以和圖1的波形比較來看。

圖3. VGS=-5V/+15V，VBUS=800V，IDSmax=960A，VDSmax=1163V，ESC=338.57mJ

結(jié)論三：母線電壓的提升會(huì)導(dǎo)致短路損耗增加，但短路電流大小幾乎不變，超過母線電壓平臺(tái)的尖峰量也幾乎一致，Δ值都是350V左右。圖4的波形是600V下測的，和圖1的800V相同門極條件下的短路情況作對比，損耗降低了30%多。

圖4. VGS=-3V/+15V，VBUS=600V，IDSmax=938A，VDSmax=937V，ESC=228.31mJ

結(jié)論四：合理地控制短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間是能有效關(guān)斷短路電流的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。一般來說，在相同的客觀條件下，短路時(shí)間越長，損耗越大，芯片由于熱失效的風(fēng)險(xiǎn)就越大。英飛凌SiC MOSFET芯片在短路表現(xiàn)上的好處是開通很快，電流能很快到達(dá)峰值，到達(dá)峰值之后電流就開始下降，這樣不僅可以為短路爭取到更長的時(shí)間，同時(shí)由于關(guān)斷時(shí)電流更小使得關(guān)斷的過壓也更低更安全。后面的波形圖中，示波器通道1是驅(qū)動(dòng)芯片DESAT腳上的波形，濾波的電容是100pF的，雖然芯片內(nèi)部的恒流源是500uA的，但這個(gè)電容上電壓上升的速度可能遠(yuǎn)大于這個(gè)電流源的充電時(shí)間且并非是完全線性的，而是呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，前面有一段充電非?？斓氖怯捎赩DS在那段的dv/dt通過退飽和電路中的二極管結(jié)電容來充電，后面慢的是主要是500uA電流源的充電影響。

圖5. 退飽和檢測典型電路

如果這個(gè)階段對電容充電能量足夠多的話，會(huì)大大減少一類短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間，降低短路損耗。當(dāng)然也可能帶來一些風(fēng)險(xiǎn)，比如時(shí)間太短，那么在關(guān)斷時(shí)電流值可能比較大，則di/dt就高，由于系統(tǒng)里有雜散電感的存在，從而引起非常高的DS電壓尖峰。所以適當(dāng)?shù)匮娱L短路持續(xù)時(shí)間有助于降低關(guān)斷時(shí)DS過壓。和前面圖1的波形對比，圖6的短路時(shí)間增加到1.7us后電壓尖峰值從1127V降到了997V。但此時(shí)的短路損耗增加到了820.6mJ。

圖6. VGS=-3V/+15V，VBUS=800V，IDSmax=935A，VDSmax=997V，ESC=820.6mJ，tSC=1.7us

結(jié)論五：影響短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間的因素很多，而且大都還需要在實(shí)際的電路中進(jìn)行調(diào)試。包括母線電壓，系統(tǒng)回路的寄生電感，DESAT腳并聯(lián)的濾波電容，PCB布線在DESAT腳產(chǎn)生的寄生電容，以及DESAT功能所使用的阻斷電壓的二極管。對于最后一個(gè)因素，建議設(shè)計(jì)時(shí)保留兩個(gè)串聯(lián)的二極管位置，如圖5紅圈里的二極管位置。因?yàn)榻Y(jié)電容越串越小，使用兩個(gè)二極管對比一個(gè)二極管產(chǎn)生的分布電流會(huì)小一半?？紤]這個(gè)二極管成本，即使在SiC的開關(guān)電路里往往也只使用高壓硅基的超快二極管，如果使用SiC二極管的話，那么即使單獨(dú)使用一個(gè)，結(jié)電容也夠小。這個(gè)二極管上的結(jié)電容越小，那么由iC=C*(dv/dt)可知，dv/dt通過二極管結(jié)電容產(chǎn)生的分布電流也越小，短路時(shí)間會(huì)變大。請參考圖7和圖8。然而短路時(shí)間大好還是小好不能簡單的一概而論，大了能降低過壓尖峰，小了能降低能量損耗。所以從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)看，在確保不過壓的情況下，建議短路時(shí)間設(shè)置得越小越好。

圖7. 退飽和檢測電路使用一個(gè)二極管

圖8. 退飽和檢測電路使用兩個(gè)二極管串聯(lián)

最后，給大家一個(gè)參考測試結(jié)果，用一個(gè)18V門極電壓短路且過壓不超的波形來收尾這篇文章吧。如圖9，1.6us+的短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間里，器件承受了大約1J的能量，電流達(dá)到1255A，短路結(jié)束后性能完好無損。本文一系列的實(shí)驗(yàn)做了幾十次短路，器件也沒壞，展示了英飛凌器件遠(yuǎn)超規(guī)格書定義的品質(zhì)！

圖11. VGS=-3V/+18V，VBUS=800V，IDSmax=1255A，VDSmax=1039V，ESC=1013.7mJ

文中所有波形和結(jié)論僅針對本次實(shí)驗(yàn)，希望能給供廣大對SiC MOSFET短路感興趣的朋友們帶來幫助。畢竟在實(shí)際應(yīng)用中，如果功率器件具有一定的短路能力并實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)，對提升系統(tǒng)整體可靠性而言是非常有利的。而英飛凌的驅(qū)動(dòng)芯片恰恰能助力實(shí)現(xiàn)對SiC MOSFET的短路保護(hù)。