详解SiC MOSFET的短路检测及短路保护-KIA MOS管
SiC MOSFET短路保护理解
1、SiC MOSFET的晶元面积小于IGBT晶元面积，短路时候散热能力不及IGBT。
2、IGBT短路后能够退饱和（desaturation）进入线性区，电流不再增加，能够自我限流。
3、短路后SiC MOSFET 由线性区（linear region）进入饱和区（saturation region），拐点电压非常高，因此Id电流增加的同时，Vds随着上升，进一步扩大短路损耗。
4、IGBT退饱和保护机理，如下图，正常工作Cblk 电压会被嵌位到Vce+Vd，当IGBT进入退饱和拐点后，Vce迅速上升，Dhv由导通变为截止，电流源迅速对Cblk充电，抬高电压DESATFault 位置。
IGBT 退饱和电路
5、由于SiC MOSFET的“退饱和拐点”非常高，Vds的响应速度非常慢，一般不采用Vce电压进行“退饱和”操作，通过采样电阻电流采样，精度高。但是损耗大，在小电流应用中使用。
电流采样
6、对于大电流应用，倾向于带有SENSE PIN的MOSFET进行电流采样，Rs上电流和主管上的电流存在一定的比例关系，从而减小采样电阻上电压。
电流采样
SiC MOSFET短路特性
功率器件有多种不同的短路模式，其中最严重的一种是桥臂短路，在这种短路模式下，电流迅速上升，同时器件承受母线电压。我们需要首先对这种短路模式下的MOSFET的行为进行研究。
短路测试如图1所示。
图2 为400V和800V两种母线电压下，且门极电压在12V,15V,18V情况下的短路电流波形。短路起始阶段，漏极电流快速上升并且到达最高值，在门极电压分别为12V和15V情况下，电流峰值分别为170A和270A。
电流峰值过后，漏极电流开始显著下降，门极电压为12V和15V的情况下分别为130A和180A。这是因为载流子迁移率随温度的上升而下降，从而短路电流下降。
测试波形证实了TO-247封装的4pin CoolSiC? MOSFET 在15V门极驱动电压条件下，拥有至少3us的短路能力。
短路脉冲结束后，可能发生两种情况：1、被测器件安全关断，漏极电流降至0A。
2、短路期间积累的能量超出了器件极限，比如门极驱动电压过高或者母线电压过高，都可能引起热失控，导致器件失效，如图2(b)中绿线所示。
这条曲线表示的是母线电压800V，门极电压为18V的情况下，在短路脉冲延长到4us时，器件发生失效。
从图2中我们可以看出，短路电流与门极电压成正相关，更高的门极电压导致更高的短路电流，因此引起更高的结温与更低的载流子迁移率。因此高门极电压下的Id下降幅度会更大。
图2 IMZ120R045M1在不同门极电压下的短路电流波形(a) Vdc=400V (b)Vdc=800V
图3显示了IMZ120R045M1 在15V门极电压，以及400V及800V母线电压下的短路电流。从中可以看出，母线电压对峰值电流影响很小。
当芯片开始被加热之后，800V母线电压会产生更多的能量，导致芯片结温高于400V母线电压的情况，因此VDC=800时，漏极电流下降更快，峰值过后很快低于400V VDC。
图3 IMZ120R045M1在不同母线电压下的短路电流
SiC MOSFET 短路保护方法
目前有4种常用的短路检测及保护方法，其原理示意图如图4所示。其中最直接的方式就是使用电流探头或者分流电阻检测漏极电流。业界最常用的方法是检测饱和压降。
MOSFET正常导通时漏极电压约为1~2V。短路发生时，短路电流会迅速上升至饱和值，漏极电压也会上升至母线电压。一旦测试到的Vds高于预设的参考值，被测器件会被认为进入短路状态。
另一个典型的短路检测解决方案是监测di/dt. 在高功率IGBT模块中，开尔文发射极与功率发射极之间存在寄生电感。在开关操作中，变化的电流会在电感两端产生电压VeE。通过检测这个电压，即可以判断器件是否进入短路状态。
导通状态下，Vds检测需要一定的消隐时间防止误触发。另外，基于di/dt的检测方式依赖于寄生电感LeE的值。
除此之外，短路检测还可以通过检测门极电荷的特性来实现。短路发生时，门极波形不同于正常开关波形，不存在米勒平台。这种方法不需要消隐时间，也不依赖LeE.
图4 4种SiC MOSFET的短路检测及保护方法
在实际应用中，门极电压对于驱动SiC MOSFET来说非常重要，尽管更高的驱动电压可以带来降低RDSON的好处，但是较高的门极电压会带来更高的短路电流。
SiC MOSFET 与IGBT相比短路耐受时间比较短。但是，选择合适的驱动IC及外围电路设置，SiC MOSFET依然能在短路时安全关断，从而构建非常牢固与可靠的系统。
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