SiC MOSFET短路特性、短路保護分析-KIA MOS管

SiC MOSFET的短路保護

1.短路故障是導(dǎo)致SiC MOSFET失效的重要原因之一，盡管SiC MOSFET具有較好的導(dǎo)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(zhàn)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(dǎo)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(zhì)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(qū)內(nèi)，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(yīng)速度。然而，與Si器件相比，SiC MOSFET 的結(jié)電容更小、開關(guān)速度更高。

SiC MOSFET獨特的正溫度系數(shù)跨導(dǎo)導(dǎo)致其開通時的dI/dt和dV/dt 隨著結(jié)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(yīng)與抗噪聲能力難以兼顧。

2.短路故障類型

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

（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。

當脈沖發(fā)生器向驅(qū)動 器 1 發(fā)送高電平信號時，打開上橋臂 SiC MOSFET，再向驅(qū)動器 2 發(fā)送高電平信號，就可以實現(xiàn) HSF；

當脈沖發(fā)生器向驅(qū)動器 2 發(fā)送一個信號使待測 SiC MOSFET 正常開啟時，再向短路控制開關(guān) S 1 發(fā)送閉 合信號使故障電感 LFault 接入功率回路，就可以實現(xiàn)FUL。

（2）基于非線性元件的無損短路測試方法。

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(nèi)阻較低，與SiC MOSFET 相比飽和電流更小。

當脈沖發(fā)生器通過驅(qū)動器1開啟該非線性元件時，再通過驅(qū)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(xù)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；

通過兩種失效模式的現(xiàn)象和成因不難看出，短路能量較低時可能會導(dǎo)致SiC MOSFET柵源極失效，而短路能量較高時可能會使 SiC MOSFET發(fā)生熱逃逸失效。SiC MOSFET 柵-源極失效時不一定會發(fā)生熱逃逸失效，但是熱逃逸失效發(fā)生時必定伴隨有柵-源極失效。

5.短路保護技術(shù)

6.短路關(guān)斷策略

（1）大電阻關(guān)斷。大電阻關(guān)斷是在檢測到短路后，利用大阻值柵電阻來減緩關(guān)斷電流下降速率從 而實現(xiàn)關(guān)斷過電壓的抑制。

然而，大電阻關(guān)斷在抑制關(guān)斷過電壓的同時也致使關(guān)斷延遲時間增大，導(dǎo)致 SiC MOSFET 不能及時關(guān)斷，為此，在關(guān)斷過程中采用不同柵極電阻關(guān)斷 SiC MOSFET 短路電流，從而兼顧了SiC MOSFET 短路關(guān)斷過電壓與關(guān)斷延遲時間，但大電阻關(guān)斷可能導(dǎo)致 SiC MOSFET因關(guān)斷損耗過大而發(fā)生失效。

（2）降柵壓關(guān)斷。降柵壓關(guān)斷是在檢測到短路后，先緩慢降低柵極電壓，使 SiC MOSFET 維持導(dǎo)通狀態(tài)。在較低柵極電壓下，SiC MOSFET漏極電流會被限制在較低水平，經(jīng)過一定延遲后，再采用負壓關(guān)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(guān)斷過電壓，但是該方法需要多種柵極電壓，電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜。

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