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关于SiC MOSFET短路Desat保护设计

2022-8-1 09:44| 发布者: 闪电| 查看: 1| 评论: 0

摘要: 1什么是DesatDesat保护是功率MOSFET和IGBT保护中很重要的概念, 下面我们用图一所示是一个简化的MOS剖面图,以此来阐述退饱和发生的原因。栅极施加一个大于阈值的正压VGS,则栅极氧化层下方会形成导电沟道,这时如果 ...

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什么是Desat

Desat保护是功率MOSFET和IGBT保护中很重要的概念, 下面我们用图一所示是一个简化的MOS剖面图,以此来阐述退饱和发生的原因。栅极施加一个大于阈值的正压VGS,则栅极氧化层下方会形成导电沟道,这时如果给漏极D施加正压VDS,则源极中的电子便会在电场的作用下源源不断地从漏极D流向源极S,这样电流便形成了,这时电流随DS电压的增长而线性增长。随着DS电压的增大,使得栅极和硅表面的电压差很小而不能维持硅表面的强反型,沟道出现夹断现象,电流不再随DS电压的增加而成比例增长,而进入退饱和状态(如图二)。

在实际应用中,退饱和现象一般发生在器件短路时,这时Vds电压上升到母线电压,电流一般是额定电流的几倍。功率异常增大,结温急剧上升,不及时关断器件就有可能烧毁器件。多数MOSFET电流短路承受能力差而造成热损坏,而SiC MOSFET电流的短路能力更差。那么针对SiC MOSFET的Desat保护设计就变得尤为重要了。

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图一(refer to Infineon)

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图二(refer to Infineon)

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如何进行Desat的设计

SiC MOSFET电路通常用传感器进行在线电流检测,进行精确的过电流保护。而Desat保护被视为第二级保护措施。在有些特殊故障情况,例如桥式直通或逆变器滤波器前输出端对地短路等,在线电流传感器无法检测到这类故障,Desat保护就成为保护功率器件重要的措施。

设计中,主要的考虑是Desat保护阈值的设定,一般应设置为保守值,以避免过早触发。下面就通过onsemi的SiC MOSFET NTH4L020N120SC1为例,来论述下如何设计这个保护阈值。

SiC MOSFET datasheet提供“最大漏极脉冲电流”(10us单脉冲)如图三。该电流约为器件在 125 °C时额定连续电流的 4 倍左右(onsemi NVH4L020N120SC1) 如图四。在额定连续电流和最大漏极脉冲电流之间选择过流保护值。过流保护阈值的计算应使用 125 °C 或 150 °C 时的 RDS_ON。传导电流是 DESAT 引脚提供的电流。二极管压降具有负温度系数。保守计算,可以将 25 °C 时二极管的正向电压用于过流保护阈值的计算。

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图三, NTH4L020N120SC1 , onsemi

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图四, NTH4L020N120SC1 , onsemi 如图五所示, 设置限流值的时候,可以用公式 Ilimit = (Vth – Rdamp* IDESAT – VFD)/ Rdson 来计算, 其中 Rdamp 为调压电阻,VFD为高压二极管的正向压降,Rdson为 SiC MOSFET 估算结温下的导通电阻。当发生短路或过流时,SiC MOSFET 漏极电流将会增加 到一个很高的值,并且器件的 Vds 将会升高到很高的值。钳位DESAT 引脚通过内电流源给消隐电容 Cblk 充电到更高的电压。当电压达到过流保护阈值时,OUT 和/FAULT 均被拉低。通过选择不同的消隐电容,可以设置DESAT 保护电消隐时间。消隐时间可以公式计算:Teblk = Cblk ∙Vth / IDESAT。不同的应用通常需要不同的关断时间。优化的关断时间可以最大化地发挥系统的短路 能力,同时限制 Vds 和 bus 电压上的振荡。

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图五

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Desat 保护设计注意事项

a.SiC MOSFET 的高dv/dt 是引起噪声和desat误触发的主要原因。在高的Vds dv/dt 作用下,高压阻断二极管 D寄生电容 Cdesat 引 起的电压耦合会显著抬高或降低阳极电压 。阳极电压变化又会将 消隐电容 Cblk充电或放电到一个非预期值,并导致误触发或desat保护延迟。由于 SiC MOSFET 的高开关速度,这个问题变得更加严重。为了钳制 Vdsat 电压的上升幅度,使用一个 稳压二极管。为了最大程度地降低 Cdesat 的影响,使用低结电容的二极管电压阻断非常必要。

b.与高压阻断二极管串联的寄生电感Ldesat也是必须考虑的因素,过高的Ldesat 会与二极管寄生电容Cdesat谐振,会影响Vdesat震荡的最大值的变化。从而影响desat触发的准确性。降低Ldesat值也是尤为重要。

c.要具有稳定和快速的短路保护,上管驱动器和下管驱动器都应该具有desat保护。半桥的短路情况主要有两种情况。一种情况是一个开关管已经导通情况下,开通另一个开关管;另一种情况是在一个开关管短路的情况下,开通另一个开关管。对于第二种情况,比第一种情况的延迟时间长得多,是工程师必须考虑的极端因素。

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总结

SiC MOSFET Desat保护得到越来越多工程师的重视,以上是SiC MOSFET Desat保护设计基本思路。由于各个原厂的SiC MOSFET驱动的Desat保护参数会有不同,具体产品应用会有调整,如需要进一步交流请联系富昌电子技术方案中心。  


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