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SiC MOSFET短路保护的重要性探讨

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大家好,我是电源漫谈,SiC MOSFET在高耐压,高开关频率/低开关损耗,高结温耐受能力上相比Si IGBT都有较强的优势,使得大功率电力电子系统的功率密度得以提高,同时散热器设计也更加容易。但是短路故障是SiC MOSFET典型的重要故障原因,其短路保护电路的性能非常重要,且具有设计上的挑战性。

为什么SiC MOSFET的短路保护这么重要呢?实际上,在相同的电流额定值条件下,Si IGBT的晶圆面积更大,而SiC MOSFET的晶圆面积小,发生短路时电流密度高,这就导致SiC MOSFET的短路承受能力较弱。  

这里举一个例子说明,相关研究者在对SiC MOSFET做硬短路测试时,被测器件为1200V/33A的SiC MOSFET,其在短路发生后13us失效损坏,但是却在短路发生5us后,被测器件栅源的泄漏电流突然增大,说明栅源极此时已经退化。  

在短路情况下,SiC MOSFET的界面质量较差,这会带来栅氧层可靠性的问题,这个问题随着工业界厂家的工艺改进逐渐改善,但是短路时SiC器件温度会上升到较高,如125C以上,这时候可能由于某些原因导致栅极氧化层出现退化。  

另外,本身SiC MOSFET需要较高的栅极正向电压,在短路情况下,这也会加剧栅氧层的退化,所以降低短路时栅氧层电压也有助于栅氧层可靠性提高。  

SiC MOSFET结电容小,开关速度较高,若要避免短路故障,对SiC MOSFET的短路保护电路也提出了非常高的要求,例如希望短路保护电路响应较快,尽可能地让短路时SiC MOSFET工作在安全工作区内。  

另外,其SiC MOSFET的跨导在短路时属于正温度系数,在短路时器件di/dt和dv/dt会随着结温变得更大,因此需要更加快速的短路保护电路适应这种温度的影响。  

从以上的论述中,可以看到短路保护及短路故障对于SiC MOSFET的重要性,在系统件和软件设计中要引起重视。

参考来源: SiC MOSFET短路保护技术综述  

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首次发布时间:2024-10-12
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SIC MOSFET的短路保护故障和典型测试方法

点击下方关注公 众号:电源漫谈关注,分享,点赞,赞赏,在看,支持优质内容!大家好,我是电源漫谈,SiC MOSFET发生失效时,短路失效是典型的失效模式之一。一般来说SiC MOSFET的短路分为两种形式,一种是一类短路,另一种是二类短路,如下图所示。对于一类短路故障,主要是指桥臂直通短路,这时候由于短路回路寄生线路电感较小,电流上升速度快,容易使得功率器件失效,且更难以保护。 对于一类短路可以分为硬开关短路故障和负载故障两种。其中,硬开关故障发生在SiC MOSFET开通时,漏极电流快速上升至峰值,然后又回落到稳态值。 第二种短路测试称为相间短路,这个短路测试回路电感较大,这里我们不作详细讨论。硬开关故障波形示意图 负载故障发生在SIC MOSFET完全导通之后,短路电流从负载电流开始上升,随之电压Vds也会上升到母线电压,短路故障发生时,短路能量巨大,而SiC MOSFET的芯片较小,电流密度大,会在短时间内很容易损坏。 负载短路故障 这个说法使笔者想起来刚工作时测试电源模块的短路电压应力,一种情况是短路后开机,一种是开机后短路,和上述说法有点类似。基于上述两种短路故障,一般对于短路故障的检测和测试有两种方法,如下表所示。 基于双脉冲测试的短路测试方法是一种典型测试方法,使用粗短铜排代替双脉冲电路中的负载电感测试短路, 在上述双脉冲测试方法中,当驱动器1开通上管后,接着驱动器2开通被测SiC MOSFET,那么此时就可以形成硬开关短路故障。 当驱动器2发送脉冲使得被测SiC MOSFET正常开启时,再将S1闭合,那么此时将产生负载短路故障的情形。 另一种短路测试方法,是基于非线性元件的无损短路测试方法,如上图所示。 具体测试方法为,在被测SiC MOSFET短路回路中串入非线性元件,此元件在额定电流时内阻较低,相比SiC MOSFET的饱和电流更小,会在SiC MOSFET饱和前提前饱和。事先通过电路中驱动器1将非线性元件导通,而此时再通过驱动器2开通被测SiC MOSFET,那么将形成硬开关短路,短路电流达到元件饱和电流时会被限制电流,进而会熔断。 上面所说的两种短路测试方法中,基于双脉冲电路的测试方法,由于短路回路寄生电感小,电流上升速度快,很容易导致SiC MOSFET短路失效,所以可以更真实的反映实际短路工况,主要用于测试短路保护电路的性能。 基于非线性元件的测试方法,能够及时保护被测器件,避免严重损坏,可以为短路实验留下有效样本,但是不能真实反映实际短路工况。 以上简要介绍了短路故障类型,以及相应的短路测试方法。 参考来源:SiC MOSFET短路保护技术综述 //关于知识产权:1.本公众 号主要用于个人学习笔记归纳及分享,无任何商业目的。2.本公众 号所发表言论及观点不代表本人现任公司及前任公司,如有错误请不吝指正。3.如果认为有帮助可以分享转发,如需转载公 众号内容,请留言告知。4.有些图片及文字内容来自网络,如有侵权,请联系作者删除。5.有问题可通过公众 号关注页或者文末添加本人微 信加入技术交流群畅聊。6.部分文章内容是作者进行了网络上内容的整理,故标了原创,若有侵权可删。基于上一次基础上做了一些更新,再次汇总一下前面断断续续写过的一些和碳化硅相关主题的文章,汇总如下,标题已嵌入了链接,供参考。来源:电源漫谈

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