創(chuàng)新非對稱瞬態(tài)電壓抑制二極管在SiC MOSFET門保護(hù)中的應(yīng)用

保護(hù)半導(dǎo)體設(shè)備和電子設(shè)備是任何穩(wěn)健的電源管理和電路設(shè)計的關(guān)鍵。在本文中，我們將重點介紹非對稱瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管系列，這些二極管非常適合用于硅碳化物(SiC)MOSFET的門保護(hù)。

瞬態(tài)保護(hù)設(shè)備

瞬態(tài)尖峰可以由雷電、附近的機(jī)械設(shè)備、電源負(fù)載切換等引起。一個例子是現(xiàn)代汽車，其中越來越多的車載電子設(shè)備連接到電池和發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的輸出可能不穩(wěn)定，例如在電池斷開或啟動汽車時。

這種負(fù)載沖擊可能超過一百伏，損壞12V或24V電壓軌上的電子設(shè)備。在電動汽車(EV)中，牽引逆變器和車載充電器可以由更高效的SiC設(shè)備驅(qū)動。這些設(shè)備在其門輸入端需要保護(hù)，以防止負(fù)載切換引起的瞬態(tài)。

保護(hù)設(shè)備可以串聯(lián)連接，例如保險絲，或與被保護(hù)的敏感電路并聯(lián)連接。串聯(lián)連接的設(shè)備通常適用于較長時間的沖擊，而并聯(lián)保護(hù)設(shè)備則用于高電流和短時間的沖擊，這種情況更為常見。

在并聯(lián)保護(hù)設(shè)備的分組中，有幾種選項可供選擇。部分選項見于表1。

并聯(lián)保護(hù)設(shè)備的基本原理是在達(dá)到某個電壓水平后開啟，并在打開后將電壓鉗制在此水平上，使得所有電流在沖擊瞬態(tài)事件結(jié)束之前都通過它。任何并聯(lián)連接的瞬態(tài)保護(hù)設(shè)備都應(yīng)具備以下基本要求：

低電容：在正常工作期間，保護(hù)設(shè)備不應(yīng)影響電信號傳輸?shù)奖?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)電路的能力。保護(hù)設(shè)備的電容與其輸入端的任何串聯(lián)電阻形成一個低通濾波器。這可能會降低信號質(zhì)量，特別是在高開關(guān)頻率應(yīng)用中。在這種情況下，低電容保護(hù)設(shè)備是一個重要要求。

低漏電：在正常工作下，任何來自并聯(lián)連接設(shè)備的漏電都會增加凈待機(jī)功耗。這在電池供電系統(tǒng)中是一個重要考慮因素。

單向與雙向保護(hù)：例如，當(dāng)信號在名義上始終為正時，可以使用單向保護(hù)設(shè)備，以防止任何負(fù)脈沖。而雙向設(shè)備可以在兩個方向上提供保護(hù)，但在保護(hù)級別上可能存在權(quán)衡，這取決于正常工作所需的電壓范圍。

快速響應(yīng)：根據(jù)應(yīng)用，可能需要小于1.0納秒的響應(yīng)時間。這個時間也強(qiáng)烈依賴于外部寄生電感，例如由走線長度引起的電感。此時，重要因素是穿透電壓，即在完全鉗制之前負(fù)載上看到的瞬態(tài)部分。

擊穿、電壓鉗制和動態(tài)電阻：工作電壓是在正常操作范圍內(nèi)。擊穿電壓(Vbr)或保護(hù)設(shè)備開啟的電壓需要略高于此工作電壓。一旦設(shè)備開啟，電流流動與其通過動態(tài)電阻(Rdyn)的內(nèi)部電壓降有關(guān)。鉗制電壓(Vclamp)在峰值額定脈沖電流(Ipp)下如下面的方程所示：

Vclamp = Vbr + Ipp × Rdyn

因此，低Rdyn確保在沖擊期間鉗制電壓接近Vbr。Vclamp需要低于被保護(hù)設(shè)備或負(fù)載的最大沖擊電壓額定值。Vbr的溫度響應(yīng)也是一個重要考慮因素，以確保在整個工作溫度范圍內(nèi)的安全操作。

重復(fù)沖擊能力和故障模式：在重復(fù)沖擊下的可靠性可能是一個重要的安全考慮。在許多情況下，保護(hù)設(shè)備的溫度上升可能是限制因素。因此，沖擊脈沖之間的時間，以及保護(hù)設(shè)備的散熱，都是需要考慮的重要因素。這些設(shè)備的首選故障模式是短路故障，因為這可以保護(hù)下游組件。

TVS二極管在2 – 250 A Ipp保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用，因為它們在性能、可靠性和成本之間提供了最佳的折衷方案。工作在擊穿時通過載流子隧穿物理原理的齊納二極管用于較低電壓和較低功率額定?；谘┍罁舸┑腡VS二極管在更高功率水平上被廣泛使用。這些通常具有正溫度系數(shù)的Vbr。齊納二極管和TVS二極管之間的一個重要區(qū)別在于TVS二極管采用了更堅固的后端封裝，以及更大的芯片尺寸，旨在提高更高功率額定下的可靠性和散熱性能。

用于SiC門保護(hù)的非對稱TVS二極管

Littelfuse最近推出了其新系列的非對稱TVS二極管。這些雙向TVS二極管具有不同的正向和反向Vbr及Vclamp額定，旨在用于SiC MOSFET設(shè)備的門保護(hù)。以英飛凌科技的1200V SiC MOSFET AIMCQ120R040M1T的數(shù)據(jù)表為例。該設(shè)備在電動汽車電源轉(zhuǎn)換中的潛在應(yīng)用，最大靜態(tài)門電壓(VGS)額定為-5V / +23V。

在許多情況下，負(fù)VGS用于完全關(guān)閉設(shè)備，以最小化由于在硬切換條件下排水節(jié)點切換引起的寄生開啟風(fēng)險，并減少開關(guān)損失。通過控制VGS保持在最大額定值之內(nèi)，可以改善SiC MOSFET，特別是其門氧化物的可靠性和性能，閾值電壓的穩(wěn)定性以及在循環(huán)過程中的導(dǎo)通狀態(tài)電阻漂移。

因此，保護(hù)SiC MOSFET的門節(jié)點不受電壓瞬態(tài)的過度應(yīng)力對于確保其在預(yù)期系統(tǒng)壽命中的可靠性至關(guān)重要。在上述例子中，VGS在-4V和+18V之間的操作可以提供一個舒適的保護(hù)帶。這可以通過使用在絕對電壓水平剛好高于此處時開啟的保護(hù)設(shè)備來確保。

多個齊納/TVS二極管已用于SiC MOSFET所需的非對稱門保護(hù)。新的TPSMBxx05系列TVS二極管可以用單個組件解決方案替代這些設(shè)備。圖1顯示了二極管實施的基本原理圖。

圖2描述了該新系列的一些電氣特性。

如圖2所示，該系列提供多種正VBR電壓，范圍從15V到20V。該系列的負(fù)VBR設(shè)定為5V。根據(jù)ISO 76371-3電氣瞬態(tài)指南，10, 1000微秒脈沖的正向Ipp值在正向方向上范圍為24.6 A到18.6 A，負(fù)向方向為60 A。這對應(yīng)于在每個端子上安裝在5mm x 5mm銅墊上的25℃下的峰值脈沖功率耗散額定值為600 W(這對應(yīng)于Ipp × Vclamp)。

設(shè)備的代表性IV曲線如圖3所示。

結(jié)論

TVS二極管可以為半導(dǎo)體設(shè)備提供重要保護(hù)，新型雙向非對稱鉗制系列非常適合作為單個組件解決方案用于SiC MOSFET門保護(hù)。TPSMBxx05系列獲得AEC-Q101汽車應(yīng)用認(rèn)證，適用于車載充電和牽引逆變器等應(yīng)用。