簡(jiǎn)述SiC MOSFET短路保護(hù)時(shí)間

在本設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了在工廠環(huán)境中運(yùn)行的執(zhí)行器中使用的高邊開(kāi)關(guān)電路的一些具有挑戰(zhàn)性的工作條件和常見(jiàn)故障機(jī)制。我們提出了一種控制器IC，該IC集成了各種安全功能，以監(jiān)控電路運(yùn)行，并在發(fā)生這些情況時(shí)采取適當(dāng)措施防止損壞。

IGBT和MOSFET有一定的短路承受能力，也就是說(shuō)，在一定的短路耐受時(shí)間（short circuit withstand time SCWT），只要器件短路時(shí)間不超過(guò)這個(gè)SCWT，器件基本上是安全的（超大電流導(dǎo)致的寄生晶閘管開(kāi)通latch up除外，本篇不討論）。

比如英飛凌這個(gè)820A的模塊，在5-6倍短路電流常溫條件下，即使期間短路，只要在6us內(nèi)關(guān)斷，芯片就不會(huì)損壞。那么對(duì)于驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，越早啟動(dòng)檢測(cè)，越早把器件關(guān)掉，就越安全。

那么，驅(qū)動(dòng)是怎么知道器件短路了呢？有很多方法，比如檢測(cè)漏級(jí)電流，檢查壓降等等，一般來(lái)說(shuō)，用得比較普遍的是退飽和電壓檢測(cè)，短路狀態(tài)是非正常的工作狀態(tài)，器件此時(shí)已經(jīng)退出了飽和區(qū)，這時(shí)器件的漏源兩端的壓降會(huì)異常的高（母線電壓數(shù)百伏的話器件兩端的壓降通常都到了幾十伏以上），直接檢測(cè)電壓就好了。

如上圖，如果器件正常導(dǎo)通，那么Vds通常只有0-5V（以比亞迪SiC模塊的情況舉例840A電流最高溫度下導(dǎo)通阻抗4.7mΩ，壓降3.948V），如果Vds超過(guò)這個(gè)值很多，無(wú)疑說(shuō)明器件沒(méi)有工作在正常工作區(qū)，很有可能電流已經(jīng)超出額定電流。

那么驅(qū)動(dòng)是如何檢測(cè)Vds的呢？

這張圖展示了desat保護(hù)電路的原理，當(dāng)MOSFET1（M1）正常工作時(shí)，其漏源兩端電壓Vds很低，對(duì)于二極管Ddesat而言，左邊低右邊高（右邊有個(gè)電流源），于是Ddesat導(dǎo)通，因此采樣電容Cbl（也叫消影電容）上端電位約等于M1漏級(jí)電位，Cbl兩端約等于功率器件漏源極兩端電壓，如果過(guò)流或者短路發(fā)生，器件M1漏源極電壓Vds也相應(yīng)抬升，二極管Ddesat左邊電位升高，于是Ddesat被阻斷，此時(shí)電流流入Cbl，也就是開(kāi)始給采樣電容Cbl充電，Cbl兩端電壓開(kāi)始線性上升，我們看到Cbl同時(shí)也接到了一個(gè)比較器，比較器設(shè)置了一個(gè)參考電壓Vdesat-th（也叫desat閾值電壓，一般可設(shè)為7V左右），如果Cbl兩端電壓超過(guò)這個(gè)參考電壓，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出故障信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉輸出，即把柵極Vgs降下來(lái)，器件開(kāi)始關(guān)斷。這個(gè)過(guò)程就是短路保護(hù)的原理。

從這個(gè)過(guò)程可以看出，這個(gè)觸發(fā)短路保護(hù)的關(guān)鍵因素就是Cbl的充電，那么這段時(shí)間可以計(jì)算出來(lái)（高中物理知識(shí)）

V=1/C*Q=1/C*I*t

即Vdesat-th=1/Cbl*Ich*t，即參考電壓=1/采樣電容值×電流源電流×充電時(shí)間（也叫消影時(shí)間），那么得出消影時(shí)間Tblk（Blanking Time），如下圖：

其實(shí)在電容充電之前，還有一段時(shí)間，也就是器件開(kāi)通了但是DESAT腳電壓沒(méi)有變化的那一段，這段很奇怪，明明器件已經(jīng)開(kāi)通一段時(shí)間了，照理說(shuō)Vds也應(yīng)該抬升了，DESAT腳電壓應(yīng)該開(kāi)始上升才對(duì)，其實(shí)這段時(shí)間我們管它叫前沿消影時(shí)間Leading Edge Blanking time（是指目標(biāo)采樣信號(hào)剛開(kāi)始可能會(huì)有一個(gè)尖峰，而我們并不希望采集它，于是可以設(shè)置一個(gè)前沿消隱時(shí)間把它忽略掉）如下圖：

（來(lái)源：技術(shù)田地）