在短路条件下评估1200 V SIC MOSFET的鲁棒性

SIC MOSFET是最大化电源转换器效率的最佳答案吗？本文探讨了在1200 V，beplay体育下载不了80MΩSICMOSFET上进行的一项最新研究，突出了其短路能力。

碳化硅（SIC）MOSFET提供了巨大的希望，可以最大程度地提高电源转换器的效率，因为它们的开关损耗极低。但是，在确定这些设备是否是现实世界电源转换应用程序的实用解决方案时，它们的短路鲁棒性长期以来一直是讨论的话题。

较高的短路电流密度和由于相对较小的模具尺寸而引起的较小的热电容，这意味着SIC MOSFET的短路承受时间比类似额定的硅IGBT的时间短。幸运的是，最近对1200 V，80MΩSICMOSFET的研究表明，支持更快响应时间的适当栅极驱动器设计可以保护SIC MOSFET免受短路损害。这项研究将讨论1200 V，80MΩSICMOSFET的短路能力。提出并解释了在各种操作条件下进行的破坏性测试，以及从应用程序和设备的角度进行的设计权衡。此外，本研究的另一部分将各种现成的栅极驱动IC的性能与DE-SAT保护功能进行了比较。

SIC MOSFET结构和短路能力

当比较具有相似电流等级的SI IGBT和SIC MOSFET时，SIC MOSFET在短路条件下的电流密度高5-10倍。较高的瞬时功率密度和较小的热电容会导致温度升高，而较低的短路可承受时间。MOSFET饱和电流主要由通道区域的设计控制。尽管需要较短的通道和更高的州门电压来降低抗性，但它们也增加了饱和电流并减少短路承受时间。国家电阻和短路电流之间的这种权衡是SIC MOSFET的设计最好通过与传统的IGBT门驱动器提供的响应时间更快的响应时间设计门驱动器来解决。这允许使用SIC MOSFET适应电路条件的设计，而不会损害设备的抗性或模具尺寸。

破坏性短路测试结果

在各种工作条件下，设计了一个测试电路（图1A和1B），用于评估1200 V，80MΩSICMOSFET（LITTELFUSE LSIC1MO120E0080）的短路能力（图2）。高带宽，高压无源探针用于测量排水源（VDS）和闸门（VGS）电压；Rogowski线圈用于设备电流（IDS）测量。

图1A。短路测试电路示意图

图1B。短路测试设置。丙烯酸外壳围绕着测试设置，以保护设备和实验者，如果发生灾难性设备故障或爆炸。

图2。该评估测试的设备是Littelfuse LSIC1MO120E0080系列增强模式1200 V，80 MOHM N通道SIC MOSFET

图3给出了10个样品的短路测试结果，其中有600 V漏极电压和20 V栅极电压在室温下。图4和5显示了短路承受破坏性故障的时间和关键能量结果。设备的结果具有紧密的分布，短路电流约为250 A，并且在所有设备中，短路的时间约为7 µs。

图3。不同设备的短路测试结果

图4。承受600V直流排水电压以下的时间

图5。600V直流排水电压以下的临界能量

图6说明了在20 V的栅极电压下从200 V到800 V的各种排水电压下的短路测试结果。尽管峰值电流相似，但在所有条件下，在250a左右，短路均从20个以上下降。µs在200 V漏极电压为3.6 µs的800 V中。随着直流总线电压的增加，瞬时功率耗散也大大增加。因此，温度升高要快得多，导致较低的短路承受时间。

图6。不同直流排水电压处的短路

图7显示了600 V的排水电压的栅极电压为15 V和20 V的测试结果。这些结果表明，峰值电流强烈依赖于栅极电压，从20 V门电压下降低了250 aAT 15 V门电压支持设计权衡理论，内容涉及驱动电压 /抗性 /短路峰值电流和承受时间关系。研究的其他因素，但事实证明，对设备的短路没有明显影响，是设备的外栅极电阻和环境温度。

图7。带有不同门驾驶电压的短路

通过门驱动器IC DE-SAT保护的短路保护

保护SIC MOSFET免受短路故障，需要栅极驱动来检测过电流状况并在其承受时间内关闭MOSFET。为SI IGBT设备开发的几个现成的驱动程序IC提供了一个集成的去饱和（DE-SAT）保护功能，该功能在状态下监视VDS，并在发生过电流事件时关闭设备。如果驾驶员IC可以迅速响应，则可以使用相同的驾驶员ICS用于SIC MOSFET的短路保护。

图8显示了用于用各种驱动程序IC实现DE-SAT功能的电路。快速动作SI二极管（DD）阻止了州内的VDS，Zener二极管（DC）在开关过渡过程中保护De-Sat PIN，电容器（CB）控制空白时间以避免在切换过程中进行虚假触发短暂的。

图8。DE-SAT实施

图9显示了具有启用DESAT保护的IC的短路事件的波形。

图9。脱水保护瞬变

由于SIC MOSFET的快速开关速度和所需的优化电源循环布局，设备的时间量电压和电流在短暂事件发生后达到稳态比IGBT短得多。因此，基于SIC设计中使用的驱动程序IC的DE-SAT功能所需的空白时间也应该短得多。为了保护SIC MOSFET，通常会选择小于100 PF的CB，并且空白时间可能短至200 ns，以减少驱动器IC的总响应时间。

表1将不同驱动程序IC的性能与33个PF空白电容器进行了比较。结果表明，每种IC都可以在1-4 µs以内的射击过程中保护SIC MOSFET。他们每个人还具有“软关”功能，在短路条件下缓慢关闭设备，以保护MOSFET和驾驶ICS。

表1.商业驱动程序IC评估

半桥配置中的短路保护

最后，在单个设备和半桥配置的短路条件下，在短路条件下一起测试了最长响应时间的SIC MOSFET和栅极驱动器IC。图10显示了带有800 V DC总线电压的射击瞬变期间的测试波形。在半桥配置中，在整个瞬态和底部设备的过程中，将顶部设备保持在启动下。

图10.左：用单个设备进行射击保护。正确的：射击保护半桥配置。

图10中的结果表明，在两种情况下都可以安全地关闭SIC MOSFET。结果还表明，在半桥配置中，直流链路电压由两个设备共享，并且每个设备的实际电压远低于直流总线电压，DC总线电压为保护电路反应时间提供了更多的边距。如果底部设备和顶部设备都具有射击功能，则可以保护整个电路。

概括

本文介绍了1200 V SIC MOSFET和解决方案的短路能力，用于使用现成的驱动程序ICS进行过电流保护。讨论了一些设计注意事项，以确保准确的测量。测试结果表明，SIC MOSFET的短路能力与排水电压和栅极电压高度相关，但对案例温度和开关速度不敏感。可以通过降低门驱动电压或降低总线电压来实现更长的时间，但是这些解决方案将降低SIC MOSFET的性能。

一个更好的解决方案是实现过电流保护以感知设备过电流并安全关闭设备。具有DE-SAT保护的商业IGBT驱动程序可以有效地保护SIC MOSFET，但是需要优化电路，以确保DE-SAT保护的总响应时间足够短以保护SIC MOSFET。比较了具有DE-SAT保护功能的各种现成的门驱动器IC的性能，并证明了在现实生活中的短路条件下可以保护1200V SIC MOSFET的栅极驱动器设计。

本文由李维·甘特（Levi Gant），，，，杜松子酒， 和Xuning Zhang博士。

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