关于SiC MOSFET短路Desat保护设计

富昌电子（Future Electronics）一直致力于以专业的技术服务，为客户打造个性化的解决方案，并缩短产品设计周期。在第三代半导体的实际应用领域，富昌电子结合自身的技术积累和项目经验，落笔于SiC相关设计的系列文章。希望以此给到大家一定的设计参考，并期待与您进一步的交流。

作为系列文章的第四篇，本文主要针对SiC MOSFET 短路Desat 保护设计做一些探讨。

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什么是Desat

Desat保护是功率MOSFET和IGBT保护中很重要的概念， 下面我们用图一所示是一个简化的MOS剖面图，以此来阐述退饱和发生的原因。栅极施加一个大于阈值的正压VGS，则栅极氧化层下方会形成导电沟道，这时如果给漏极D施加正压VDS，则源极中的电子便会在电场的作用下源源不断地从漏极D流向源极S，这样电流便形成了，这时电流随DS电压的增长而线性增长。随着DS电压的增大，使得栅极和硅表面的电压差很小而不能维持硅表面的强反型，沟道出现夹断现象，电流不再随DS电压的增加而成比例增长，而进入退饱和状态（如图二）。

在实际应用中，退饱和现象一般发生在器件短路时，这时Vds电压上升到母线电压，电流一般是额定电流的几倍。功率异常增大，结温急剧上升，不及时关断器件就有可能烧毁器件。多数MOSFET电流短路承受能力差而造成热损坏，而SiC MOSFET电流的短路能力更差。那么针对SiC MOSFET的Desat保护设计就变得尤为重要了。

图一（refer to Infineon）

图二（refer to Infineon）

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如何进行Desat的设计

SiC MOSFET电路通常用传感器进行在线电流检测，进行精确的过电流保护。而Desat保护被视为第二级保护措施。在有些特殊故障情况，例如桥式直通或逆变器在滤波器前输出端对地短路等，在线电流传感器无法检测到这类故障，Desat保护就成为保护功率器件重要的措施。

设计中，主要的考虑是Desat保护阈值的设定，一般应设置为保守值，以避免过早触发。下面就通过onsemi的SiC MOSFET NTH4L020N120SC1为例，来论述下如何设计这个保护阈值。

SiC MOSFET datasheet提供“最大漏极脉冲电流”（10us单脉冲）如图三。该电流约为器件在 125 °C时额定连续电流的 4 倍左右（onsemi NVH4L020N120SC1） 如图四。在额定连续电流和最大漏极脉冲电流之间选择过流保护值。过流保护阈值的计算应使用 125 °C 或 150 °C 时的 RDS_ON。传导电流是 DESAT 引脚提供的电流。二极管压降具有负温度系数。保守计算，可以将 25 °C 时二极管的正向电压用于过流保护阈值的计算。

图三， NTH4L020N120SC1 ， onsemi

图四， NTH4L020N120SC1 ， onsemi 如图五所示， 设置限流值的时候，可以用公式 Ilimit = （Vth – Rdamp* IDESAT – VFD）/ Rdson 来计算， 其中 Rdamp 为调压电阻，VFD为高压二极管的正向压降，Rdson为 SiC MOSFET 估算结温下的导通电阻。当发生短路或过流时，SiC MOSFET 漏极电流将会增加 到一个很高的值，并且器件的 Vds 将会升高到很高的值。钳位DESAT 引脚通过内电流源给消隐电容 Cblk 充电到更高的电压。当电压达到过流保护阈值时，OUT 和/FAULT 均被拉低。通过选择不同的消隐电容，可以设置DESAT 保护电消隐时间。消隐时间可以公式计算：Teblk = Cblk ∙Vth / IDESAT。不同的应用通常需要不同的关断时间。优化的关断时间可以最大化地发挥系统的短路 能力，同时限制 Vds 和 bus 电压上的振荡。

图五

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Desat 保护设计注意事项

a.SiC MOSFET 的高dv/dt 是引起噪声和desat误触发的主要原因。在高的Vds dv/dt 作用下，高压阻断二极管 D寄生电容 Cdesat 引 起的电压耦合会显著抬高或降低阳极电压 。阳极电压变化又会将 消隐电容 Cblk充电或放电到一个非预期值，并导致误触发或desat保护延迟。由于 SiC MOSFET 的高开关速度，这个问题变得更加严重。为了钳制 Vdsat 电压的上升幅度，使用一个 稳压二极管。为了最大程度地降低 Cdesat 的影响，使用低结电容的二极管电压阻断非常必要。

b.与高压阻断二极管串联的寄生电感Ldesat也是必须考虑的因素，过高的Ldesat 会与二极管寄生电容Cdesat谐振，会影响Vdesat震荡的最大值的变化。从而影响desat触发的准确性。降低Ldesat值也是尤为重要。

c.要具有稳定和快速的短路保护，上管驱动器和下管驱动器都应该具有desat保护。半桥的短路情况主要有两种情况。一种情况是一个开关管已经导通情况下，开通另一个开关管；另一种情况是在一个开关管短路的情况下，开通另一个开关管。对于第二种情况，比第一种情况的延迟时间长得多，是工程师必须考虑的极端因素。

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总结

SiC MOSFET Desat保护得到越来越多工程师的重视，以上是SiC MOSFET Desat保护设计基本思路。由于各个原厂的SiC MOSFET驱动的Desat保护参数会有不同，具体产品应用会有调整，如需要进一步交流请联系富昌电子技术方案中心。