富昌電子SiC設(shè)計(jì)分享（四）：SiC MOSFET Desat設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

富昌電子（Future Electronics）一直致力于以專業(yè)的技術(shù)服務(wù)，為客戶打造個(gè)性化的解決方案，進(jìn)而縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期、加快行業(yè)發(fā)展的步伐。在第三代半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，富昌電子結(jié)合自身的技術(shù)、項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)積累，著筆SiC相關(guān)設(shè)計(jì)的系列文章，希望能給到大家一定的參考，并期待與您進(jìn)一步的交流。

作為系列文章的第四篇，本文主要針對(duì)SiC MOSFET 短路Desat 保護(hù)設(shè)計(jì)做一些探討。

1.???? 什么是Desat

Desat保護(hù)是功率MOSFET和IGBT保護(hù)中很重要的概念, 下面我們用圖一所示是一個(gè)簡(jiǎn)化的MOS剖面圖，以此來闡述退飽和發(fā)生的原因。柵極施加一個(gè)大于閾值的正壓VGS，則柵極氧化層下方會(huì)形成導(dǎo)電溝道，這時(shí)如果給漏極D施加正壓VDS，則源極中的電子便會(huì)在電場(chǎng)的作用下源源不斷地從漏極D流向源極S，這樣電流便形成了，這時(shí)電流隨DS電壓的增長(zhǎng)而線性增長(zhǎng)。隨著DS電壓的增大，使得柵極和硅表面的電壓差很小而不能維持硅表面的強(qiáng)反型，溝道出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，電流不再隨DS電壓的增加而成比例增長(zhǎng)，而進(jìn)入退飽和狀態(tài)（如圖二）。

在實(shí)際應(yīng)用 中，退飽和現(xiàn)象一般發(fā)生在器件短路時(shí)，這時(shí)Vds電壓上升到母線電壓，電流一般是額定電流的幾倍。功率異常增大，結(jié)溫急劇上升，不及時(shí)關(guān)斷器件就有可能燒毀器件。多數(shù)MOSFET電流短路承受能力差而造成熱損壞，而SiC MOSFET電流的短路能力更差。那么針對(duì)SiC MOSFET的Desat保護(hù)設(shè)計(jì)就變得尤為重要了。

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2.???? 如何進(jìn)行Desat的設(shè)計(jì)

SiC MOSFET電路通常用傳感器進(jìn)行在線電流檢測(cè)，進(jìn)行精確的過電流保護(hù)。而Desat保護(hù)被視為第二級(jí)保護(hù)措施。在有些特殊故障情況，例如橋式直通或逆變器在濾波器前輸出端對(duì)地短路等，在線電流傳感器無法檢測(cè)到這類故障，Desat保護(hù)就成為保護(hù)功率器件重要的措施。

設(shè)計(jì)中，主要的考慮是Desat保護(hù)閾值的設(shè)定，一般應(yīng)設(shè)置為保守值，以避免過早觸發(fā)。下面就通過onsemi的SiC MOSFET NTH4L020N120SC1為例，來論述下如何設(shè)計(jì)這個(gè)保護(hù)閾值。

SiC MOSFET datasheet提供“最大漏極脈沖電流”（10us單脈沖）如圖一。該電流約為器件在 125 °C時(shí)額定連續(xù)電流的 4 倍左右(onsemi NVH4L020N120SC1) 如圖二。在額定連續(xù)電流和最大漏極脈沖電流之間選擇過流保護(hù)值。過流保護(hù)閾值的計(jì)算應(yīng)使用 125 °C 或 150 °C 時(shí)的 RDS_ON。傳導(dǎo)電流是 DESAT 引腳提供的電流。二極管壓降具有負(fù)溫度系數(shù)。保守計(jì)算，可以將 25 °C 時(shí)二極管 的正向電壓用于過流保護(hù)閾值的計(jì)算。

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?如圖三所示， 設(shè)置限流值的時(shí)候，可以用公式 Ilimit = (Vth – Rdamp* IDESAT – VFD)/ Rdson 來計(jì)算， 其中 Rdamp 為調(diào)壓電阻，VFD為高壓二極管的正向壓降，Rdson為 SiC MOSFET 估算結(jié) 溫下的導(dǎo)通電阻。 當(dāng)發(fā)生短路或過流時(shí)，SiC MOSFET 漏極電流將會(huì)增加 到一個(gè)很高的值，并且器件的 Vds 將會(huì)升高到很高的值。鉗位DESAT 引腳通過內(nèi)電流源給消隱電容 Cblk 充電到更高的電壓。當(dāng)電壓達(dá)到過流保護(hù)閾值時(shí)，OUT 和/FAULT 均被拉低。通過選擇不同的消隱電容，可以設(shè)置DESAT 保護(hù)電消隱時(shí)間。消隱時(shí)間可以公式計(jì)算： Teblk = Cblk ?Vth / IDESAT。 不同的應(yīng)用通常需要不同的關(guān)斷時(shí)間。優(yōu)化的關(guān)斷時(shí)間可以最大化地發(fā)揮系統(tǒng)的短路 能力，同時(shí)限制 Vds 和 bus 電壓上的振蕩。
????????????? 3.???? Desat 保護(hù)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

a.???? SiC mosfet 的高dv/dt 是引起噪聲和desat誤觸發(fā)主要原因。在高的Vds dv/dt 作用下，高壓阻斷二極管 D寄生電容 Cdesat 引 起的電壓耦合會(huì)顯著抬高或降低陽極電壓 。 陽極電壓變化又會(huì)將 消隱電容 Cblk充電或放電到一個(gè)非預(yù)期值，并導(dǎo)致誤觸發(fā)或 desat 保護(hù)延遲。由于 SiC MOSFET 的高開關(guān)速度，這個(gè)問題變得更加嚴(yán)重。為了鉗制 Vdsat 電壓的上升幅度，使用一個(gè) 穩(wěn)壓二極管。為了最大程度地降低 Cdesat 的影響，使用低結(jié)電容的二極管電壓阻斷非常必要。

b.??? 與高壓阻斷二極管串聯(lián)的寄生電感Ldesat也是必須考慮的因素，過高的Ldesat 會(huì)與二極管寄生電容Cdesat諧振，會(huì)影響Vdesat震蕩的最大值的變化。從而影響desat觸發(fā)的準(zhǔn)確性。降低Ldesat值也是尤為重要。

c.???? 要具有穩(wěn)定和快速的短路保護(hù)，上管驅(qū)動(dòng)器和下管驅(qū)動(dòng)器都應(yīng)該具有desat保護(hù)。半橋的短路情況主要有兩種情況。一種情況是一個(gè)開關(guān)管已經(jīng)導(dǎo)通情況下，開通另一個(gè)開關(guān)管；另一種情況是在一個(gè)開關(guān)管短路的情況下，開通另一個(gè)開關(guān)管。對(duì)于第二種情況，比第一種情況的延遲時(shí)間長(zhǎng)得多，是工程師必須考慮的極端因素。
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總結(jié)：

SiC mosfet Desat保護(hù)得到越來越多工程師的重視，以上是SiC mosfet Desat保護(hù)設(shè)計(jì)基本思路。由于各個(gè)原廠的SiC mosfet 驅(qū)動(dòng)的Desat保護(hù)參數(shù)會(huì)有不同，具體產(chǎn)品應(yīng)用會(huì)有調(diào)整，如需要進(jìn)一步交流請(qǐng)聯(lián)系富昌電子技術(shù)方案中心。
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參考文獻(xiàn)：
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【1】???? AN1306: Driving SiC MOSFET Switches Using the Si828x Isolated Gate Driver
【2】???? Understanding the Short Circuit Protection for Silicon Carbide MOSFETs
【3】???? Comprehensive Analysis and Improvement Methods of Noise Immunity of Desat Protection Circuitry for High Voltage SiC MOSFETs with High dv/dt
【4】???? TND6237/D- SiC MOSFETs: Gate Drive Optimization
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