MOSFET的三重防护（3）-电子发烧友网

来源：御用小威的后花园

OK，还剩MOSFET的最后一重防护，就是在DS之间加TVS做保护，对应的就是下图TVS3的位置。

主要作用有两个：

1. 在MOSFET关断时对Vds电压进行钳位，防止Vds电压超标而坏MOSFET。

2. 吸收MOSFET关断时电感所产生的能量。

因为通常MOSFET的DS之间需要承受高电压Vds和大电流Ids，所以TVS3这个位置通常需要大功率的TVS。Littelfuse的5000W TVS：5.0SMDJ系列Littelfuse-TVS-Diode-5-0SMDJ-Datasheet.pdf；以及8000W TVS：8.0SMDJ系列Littelfuse-TVS-Diode-8-0SMDJ-Datasheet.pdf都是比较常见的选择。但是，大功率的TVS很难做到较高的电压（一般为100V左右），所以基本都需要用串联的方式来满足高电压的需求。

那有没有单颗TVS既能满足高电压又能满足大功率的需求呢？Of course！Littelfuse的AK系列TVS就是这样一款两全其美的产品。下面我会以固态断路器（SSCB）为例，来看看AK系列TVS在实际应用中的表现到底如何？

得益于近几年国内外SiC MOSFET的高速发展，用固态断路器（SSCB）来取代传统机械式断路器正越来越成为一种趋势，其核心就是用SiC MOSFET来取代传统的机械开关，控制电路的导通和断开。SSCB最重要的功能是在检测到电路异常、过载、短路时能够快速安全地切断电路，以避免造成灾难性的后果。其大致的工作原理如下图：

这里以负载对地短路故障为例。SSCB检测到短路，迅速断开SiC MOSFET以保护电路。而TVS要做的就是吸收Lline的能量并把Vds钳位在一个安全的电压以内。

下图是整个短路保护过程的波形图，让我们一起来分析一下。

1. 正常工作时，负载电流流经SiC MOSFET，因此Ids=Idc，SiC MOSFET两端电压Vds=Idsx Rds(on)非常低。

2. 短路故障发生时，SiC MOSFET的电流Ids从Idc上升到Ith，此时SiC MOSFET两端的电压Vds保持不变。

3. 当Ids上升到Ith时，系统检测到短路故障发生，经过很短的响应时间后Ids上升到Ipk，系统关断SiC MOSFET。此时Vds依旧保持不变。

4. 此时SiC MOSFET已关断，Iline只能流过TVS, 因此Lline中的能量只能通过TVS来吸收。TVS产生的钳位电压Vcl=Vpk，ITVS电流从Ipk一直下降到0结束。

5. 整个短路关断过程结束，SiC MOSFET和TVS均没有电流流过，两端电压均为系统电压Vdc。

从整个过程来看，TVS需要吸收的的能量是第4阶段产生的。

来假设一个例子，实操一下看看。

Vdc=400V

Idc=16A

Ipk=3000A（短路时候的di/dt非常大，假设为100A/us，响应时间30us，Ipk=100x30=3000A）

Lline=5uH

Vpk<600V（假设选择Vds=650V的SiC MOSFET，考虑一些设计余量，要求Vpk<600V）根据以上条件，我们可以初步选择Littelfuse的大功率TVS-AK3-380C-Y

从钳位电压Vcl的角度来看是能满足要求的，可以保证SiC MOSFET不会因为过高的Vds电压而损坏。

接着需要验证一下，能量是否能安全地被TVS吸收？

E(Lline) = 1/2 x Lline x Ipk^2 = 0.5 x 5uH x 3000 x 3000 = 22.5J

这22.5J是Lline中存储的能量。

再计算一下TVS能够吸收的能量。公式如下，做个excel表格算一下。

计算过程稍微有点复杂，大致就是把8/20us波形分成上升沿的8us和下降沿的20us两部分来分别计算，两部分所取的波形系数K有所不同，其余参数Vcl、Ipp、tp等把已知参数带入即可。

结果：E(TVS) = 49.92J > E(Lline) = 22.5J，能够满足要求。

OK，既然上述要求都能满足，那AK3-380C-Y应该是一个比较合理的选择。剩下的就是通过实际测试来验证了。

最后补充一点，Littelfuse除了是大家所熟知的保护类器件全球领先的供应商，在功率器件方面，随着对IXYS收购的完成，也开始大力发展以SiC为主的第三代宽禁带半导体。针对上文中的SSCB应用，目前可以提供650V系列的SiC MOSFET产品矩阵，其超低的导通电阻Rdson非常适合该应用场景，后续1200V系列的SiC MOSFET也已推出部分产品，可提供更低的Rdson，进一步降低导通损耗，提升系统效率。部分产品如下表：