關于SiC MOSFET短路Desat保護設計

富昌電子（Future Electronics）一直致力于以專業(yè)的技術服務，為客戶打造個性化的解決方案，并縮短產(chǎn)品設計周期。在第三代半導體的實際應用領域，富昌電子結合自身的技術積累和項目經(jīng)驗，落筆于SiC相關設計的系列文章。希望以此給到大家一定的設計參考，并期待與您進一步的交流。

作為系列文章的第四篇，本文主要針對SiC MOSFET 短路Desat 保護設計做一些探討。

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什么是Desat

Desat保護是功率MOSFET和IGBT保護中很重要的概念， 下面我們用圖一所示是一個簡化的MOS剖面圖，以此來闡述退飽和發(fā)生的原因。柵極施加一個大于閾值的正壓VGS，則柵極氧化層下方會形成導電溝道，這時如果給漏極D施加正壓VDS，則源極中的電子便會在電場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，這時電流隨DS電壓的增長而線性增長。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，而進入退飽和狀態(tài)（如圖二）。

在實際應用中，退飽和現(xiàn)象一般發(fā)生在器件短路時，這時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，結溫急劇上升，不及時關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SiC MOSFET的Desat保護設計就變得尤為重要了。

圖一（refer to Infineon）

圖二（refer to Infineon）

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如何進行Desat的設計

SiC MOSFET電路通常用傳感器進行在線電流檢測，進行精確的過電流保護。而Desat保護被視為第二級保護措施。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地短路等，在線電流傳感器無法檢測到這類故障，Desat保護就成為保護功率器件重要的措施。

設計中，主要的考慮是Desat保護閾值的設定，一般應設置為保守值，以避免過早觸發(fā)。下面就通過onsemi的SiC MOSFET NTH4L020N120SC1為例，來論述下如何設計這個保護閾值。

SiC MOSFET datasheet提供“最大漏極脈沖電流”（10us單脈沖）如圖三。該電流約為器件在 125 °C時額定連續(xù)電流的 4 倍左右（onsemi NVH4L020N120SC1） 如圖四。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值。過流保護閾值的計算應使用 125 °C 或 150 °C 時的 RDS_ON。傳導電流是 DESAT 引腳提供的電流。二極管壓降具有負溫度系數(shù)。保守計算，可以將 25 °C 時二極管的正向電壓用于過流保護閾值的計算。

圖三， NTH4L020N120SC1 ， onsemi

圖四， NTH4L020N120SC1 ， onsemi 如圖五所示， 設置限流值的時候，可以用公式 Ilimit = （Vth – Rdamp* IDESAT – VFD）/ Rdson 來計算， 其中 Rdamp 為調壓電阻，VFD為高壓二極管的正向壓降，Rdson為 SiC MOSFET 估算結溫下的導通電阻。當發(fā)生短路或過流時，SiC MOSFET 漏極電流將會增加 到一個很高的值，并且器件的 Vds 將會升高到很高的值。鉗位DESAT 引腳通過內電流源給消隱電容 Cblk 充電到更高的電壓。當電壓達到過流保護閾值時，OUT 和/FAULT 均被拉低。通過選擇不同的消隱電容，可以設置DESAT 保護電消隱時間。消隱時間可以公式計算：Teblk = Cblk ?Vth / IDESAT。不同的應用通常需要不同的關斷時間。優(yōu)化的關斷時間可以最大化地發(fā)揮系統(tǒng)的短路 能力，同時限制 Vds 和 bus 電壓上的振蕩。

圖五

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Desat 保護設計注意事項

a.SiC MOSFET 的高dv/dt 是引起噪聲和desat誤觸發(fā)的主要原因。在高的Vds dv/dt 作用下，高壓阻斷二極管 D寄生電容 Cdesat 引 起的電壓耦合會顯著抬高或降低陽極電壓 。陽極電壓變化又會將 消隱電容 Cblk充電或放電到一個非預期值，并導致誤觸發(fā)或desat保護延遲。由于 SiC MOSFET 的高開關速度，這個問題變得更加嚴重。為了鉗制 Vdsat 電壓的上升幅度，使用一個 穩(wěn)壓二極管。為了最大程度地降低 Cdesat 的影響，使用低結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 會與二極管寄生電容Cdesat諧振，會影響Vdesat震蕩的最大值的變化。從而影響desat觸發(fā)的準確性。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，上管驅動器和下管驅動器都應該具有desat保護。半橋的短路情況主要有兩種情況。一種情況是一個開關管已經(jīng)導通情況下，開通另一個開關管；另一種情況是在一個開關管短路的情況下，開通另一個開關管。對于第二種情況，比第一種情況的延遲時間長得多，是工程師必須考慮的極端因素。

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總結

SiC MOSFET Desat保護得到越來越多工程師的重視，以上是SiC MOSFET Desat保護設計基本思路。由于各個原廠的SiC MOSFET驅動的Desat保護參數(shù)會有不同，具體產(chǎn)品應用會有調整，如需要進一步交流請聯(lián)系富昌電子技術方案中心?！　?/p>