SiC MOSFET学习笔记2：短路保护—软关断

上次我们讨论了功率器件的短路保护（过流保护）最常见方法：退饱和检测，这次继续

想象一个场景：一辆高端新能源车行驶在高速公路上，作为把电池中的直流电转化为交流电送到电机的核心部件，SiC MOSFET的上管和下管都工作得好好的，你关我开，你开我关，突然在某一个时刻，下管好端端的开着，上管莫名其妙的开了，结果就是电流直接从电池正极通过上管，然后直接流过下管，流到负极，此时电流可能从一开始的几十A迅速上升到几千A，同时母线电压也加到了MOSFET上，功率模块发生了短路（硬开关短路故障）

如图，可以看到，红色线表示的电流在0.5us内就冲到了3000A以上，而此时VDS根本没有降下来，也就是说器件压根就没进入饱和区就直接退出了，此时的高压*大电流，功率极高，芯片内部温度急剧升高，几个微秒之内可能就升到了300℃以上。

一旦芯片的温度超过芯片材料的本征区，芯片就会因过热而失效（烧毁），因此，需要在芯片达到温度极限前迅速把电流降下来，关掉器件。

前面我们提到了怎么检测出这个异常状态，今天我们讨论这个时间关系。

依然是这张图，器件开启后，在内部前沿消影时间TDESAT leb内，是不检测的，然后采样电容Cblank在经过Blanking time充电后，到达那个设置的DESAT点（图中是9V），此时比较器电平反转，此时有一个滤波时间TDESAT filter，然后关断指令传递到栅极，这个是逻辑和驱动的动作延时时间T delay，此时栅极才关断。从发现故障到栅极开始真正关断的反应时间被称为TDESAT OUT。一般反应时间有100多ns以上。

好的，现在故障发现了，关管的指令也下达了，是不是意味着此时万事大吉了呢？还不行，还要考虑一种情况，那就是关断电流很大，快速关管的过程中，超高的di/dt结合回路杂散电感，会在DS两端形成一个非常高的电压峰值，一旦这个电压尖峰大于芯片的耐压极限，那么芯片也会因为电场强度太高而被击穿！（下图Vcepeak高了母线电压312V）

为了避免这种情况，不知道哪个大神发明了一种办法，不就是di/dt太高嘛，那我想办法把di/dt降一点好了，让电流先降下来，然后再快速关断，于是，软关断技术诞生了。

很多软关断本质上是二极关断，也就是先把控制开关的栅极电压降一部分（不直接降到0以下），把电流降下来，同时稳住VDS不上升，等电流降得差不多了，再一把关掉，此时，因为电流小了很多，因此di/dt也大不到哪里去，于是VDS的尖峰也高不到哪里去

从这两张图就可以看得非常明显，在0时刻发生短路，1us后DESAT脚电压超过比较电压发现故障，大约在1.5us时刻，栅极接收到信号进行关断动作，但是栅极并不是直接把栅压降到0或负值，而是先降到大概9V左右，维持一段时间（称为保持时间TTLSET），大概到了3us的时刻，电流此时已经降下来了，栅压迅速从此时的9V降到-4V，此时为3.5us，也就说，第一段关断，大约花了1.5us，而第二段关断，只花了0.5us，通过这种分级关断的方式，最大程度地降低了VDS两端的电压尖峰，从而保证了器件的安全关断。