SiC MOSFET學(xué)習(xí)筆記2：短路保護(hù)—軟關(guān)斷

上次我們討論了功率器件的短路保護(hù)（過流保護(hù)）最常見方法：退飽和檢測，這次繼續(xù)

想象一個(gè)場景：一輛高端新能源車行駛在高速公路上，作為把電池中的直流電轉(zhuǎn)化為交流電送到電機(jī)的核心部件，SiC MOSFET的上管和下管都工作得好好的，你關(guān)我開，你開我關(guān)，突然在某一個(gè)時(shí)刻，下管好端端的開著，上管莫名其妙的開了，結(jié)果就是電流直接從電池正極通過上管，然后直接流過下管，流到負(fù)極，此時(shí)電流可能從一開始的幾十A迅速上升到幾千A，同時(shí)母線電壓也加到了MOSFET上，功率模塊發(fā)生了短路（硬開關(guān)短路故障）

如圖，可以看到，紅色線表示的電流在0.5us內(nèi)就沖到了3000A以上，而此時(shí)VDS根本沒有降下來，也就是說器件壓根就沒進(jìn)入飽和區(qū)就直接退出了，此時(shí)的高壓*大電流，功率極高，芯片內(nèi)部溫度急劇升高，幾個(gè)微秒之內(nèi)可能就升到了300℃以上。

一旦芯片的溫度超過芯片材料的本征區(qū)，芯片就會(huì)因過熱而失效（燒毀），因此，需要在芯片達(dá)到溫度極限前迅速把電流降下來，關(guān)掉器件。

前面我們提到了怎么檢測出這個(gè)異常狀態(tài)，今天我們討論這個(gè)時(shí)間關(guān)系。

依然是這張圖，器件開啟后，在內(nèi)部前沿消影時(shí)間TDESAT leb內(nèi)，是不檢測的，然后采樣電容Cblank在經(jīng)過Blanking time充電后，到達(dá)那個(gè)設(shè)置的DESAT點(diǎn)（圖中是9V），此時(shí)比較器電平反轉(zhuǎn)，此時(shí)有一個(gè)濾波時(shí)間TDESAT filter，然后關(guān)斷指令傳遞到柵極，這個(gè)是邏輯和驅(qū)動(dòng)的動(dòng)作延時(shí)時(shí)間T delay，此時(shí)柵極才關(guān)斷。從發(fā)現(xiàn)故障到柵極開始真正關(guān)斷的反應(yīng)時(shí)間被稱為TDESAT OUT。一般反應(yīng)時(shí)間有100多ns以上。

好的，現(xiàn)在故障發(fā)現(xiàn)了，關(guān)管的指令也下達(dá)了，是不是意味著此時(shí)萬事大吉了呢？還不行，還要考慮一種情況，那就是關(guān)斷電流很大，快速關(guān)管的過程中，超高的di/dt結(jié)合回路雜散電感，會(huì)在DS兩端形成一個(gè)非常高的電壓峰值，一旦這個(gè)電壓尖峰大于芯片的耐壓極限，那么芯片也會(huì)因?yàn)殡妶鰪?qiáng)度太高而被擊穿?。ㄏ聢DVcepeak高了母線電壓312V）

為了避免這種情況，不知道哪個(gè)大神發(fā)明了一種辦法，不就是di/dt太高嘛，那我想辦法把di/dt降一點(diǎn)好了，讓電流先降下來，然后再快速關(guān)斷，于是，軟關(guān)斷技術(shù)誕生了。

很多軟關(guān)斷本質(zhì)上是二極關(guān)斷，也就是先把控制開關(guān)的柵極電壓降一部分（不直接降到0以下），把電流降下來，同時(shí)穩(wěn)住VDS不上升，等電流降得差不多了，再一把關(guān)掉，此時(shí)，因?yàn)殡娏餍×撕芏?，因此di/dt也大不到哪里去，于是VDS的尖峰也高不到哪里去

從這兩張圖就可以看得非常明顯，在0時(shí)刻發(fā)生短路，1us后DESAT腳電壓超過比較電壓發(fā)現(xiàn)故障，大約在1.5us時(shí)刻，柵極接收到信號(hào)進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作，但是柵極并不是直接把柵壓降到0或負(fù)值，而是先降到大概9V左右，維持一段時(shí)間（稱為保持時(shí)間TTLSET），大概到了3us的時(shí)刻，電流此時(shí)已經(jīng)降下來了，柵壓迅速從此時(shí)的9V降到-4V，此時(shí)為3.5us，也就說，第一段關(guān)斷，大約花了1.5us，而第二段關(guān)斷，只花了0.5us，通過這種分級(jí)關(guān)斷的方式，最大程度地降低了VDS兩端的電壓尖峰，從而保證了器件的安全關(guān)斷。