倾佳电子碳化硅MOSFET短路特质与退饱和保护（DESAT）深度征询答复

倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新动力汽车运动器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子开荒和新动力汽车产业链。倾佳电子聚焦于新动力、交通电动化和数字化转型三大标的，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半导体器件以及新动力汽车运动器。

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1. 绪言

1.1 配景：宽禁带半导体本事的崛起

碳化硅（SiC）金氧半场效晶体管（MOSFET）当作新一代宽禁带（Wide Bandgap, WBG）半导体材料的代表，正引颈着电力电子本事的蜕变。相较于传统的硅（Si）基绝缘栅双极晶体管（IGBT），SiC MOSFET凭借其超卓的物理特质，如高临界电场强度、高热导率及高电子饱和漂移速率，豪爽在更高的开关频率、更高的电压和更高的温度下清爽运行 。这些内在上风显赫镌汰了开关损耗，为已矣更高成果、更高功率密度和更小体积的电力电子系统提供了可能 。

举例，在高端工业电电源应用中，一项仿真对比征询揭示了SiC本事的宏大后劲。与传统的1200V IGBT模块比拟，摄取BASiC半导体的1200V 15mΩ SiC MOSFET半桥模块BMF80R12RA3，即使将开关频率从IGBT期间的20kHz进步至SiC的80kHz，其总损耗仍可镌汰至IGBT的一半操纵，使整机成果提高近1.58个百分点 。这一显赫的性能进步，使得SiC MOSFET在工业变频器、光伏储能、电动汽车充电桩等高频、高压应用范围赶快普及，成为替代传统IGBT的瞎想选拔 。

1.2 挑战与征询动机

然则，SiC MOSFET本事的泛泛应用并非莫得挑战。一个中枢问题在于，SiC MOSFET的短路耐受时候远低于传统的IGBT，经常仅为2至3微秒（µs）。这种固有的脆弱性使其在面对短路故障时极易在极短时候内发生厄运性损坏，对系统的可靠性组成了严峻挟制。因此，想象一个高效、可靠且反应赶快的短路保护电路，成为SiC功率系统想象中至关进犯的一环 。

倾佳电子旨在为电力电子工程师和系统想象师提供一份深度征询参考。答复将从底层物理机制脱手，简略对比SiC MOSFET与IGBT的短路特质各别；随后，概述主流的短路保护决议，并要点围绕退饱和保护（Desaturation Detection, DESAT）这一瞥业公认的主流保护方法，对其工作旨趣、电路拓扑、要津参数成立及针对SiC MOSFET的优化策略进行真切理解。答复旨在通过表面与引申邻接结的神志，为SiC功率模块的可靠应用提供全面的本事素质。

2. SiC MOSFET与IGBT短路特质对比分析

2.1 IGBT的短路行径与电流自限流机制

IGBT是一种双极性器件，其短路行径推崇出独有的自限流特质。在平方导通景象下，IGBT工作在饱和区，其集电极-辐照极电压(VCE)很低。当短路故障陡然发生时，集电极电流(IC)会急剧增多。然则，IGBT的特质决定了它会赶快从饱和区切换到有源区（或称线性放大区）。在这一区域，IGBT的IC主要由栅极-辐照极电压(VGE)端正，而不再随V_{CE}的升高而显赫增多，从而推崇出昭着的电流自限流特质 。

这种自限流机制将短路电流终局在一个相对可控的水平，经常是其额定电流的4至6倍 。由于电流和功率耗散的增长得到了灵验终局，IGBT豪爽承受相对较长的短路时候。举例，英飞凌的IGBT3/4和IGBT7的短路耐受时候分别为10µs和8µs 。这为外部保护电路提供了弥散的时候窗口来检测故障并安全地关断器件。

2.2 SiC MOSFET的短路行径与高电流密度

与IGBT不同，SiC MOSFET是一种单极性器件，其短路行径莫得自然的自限流特质。在平方导通期间，SiC MOSFET工作在线性区，其导通电阻(RDS(on))决定了漏极-源极电压(VDS)。当发生短路事件时，器件干预饱和区，但其漏极电流(ID)并非澈底恒定。违犯，它会跟着V_{DS}的升高而握续增多 。这种特质使得SiC MOSFET的短路电流峰值突出高，不错达到其额定电流的10倍以上 。

此外，SiC芯片的物理尺寸远小于同电流品级的IGBT，导致在短路景象下，极高的电流密度围聚在窄小的芯单方面积内。举例，文档指出，SiC MOSFET的芯单方面积小于同电流品级的IGBT，使得其电流密度更高，热量也愈加围聚。这种高电流密度和高短路电流的重复效应，使得SiC MOSFET在短路时的温升速率极快，远超IGBT。因此，SiC MOSFET的短路耐受时候突出短，英飞凌的CoolSiC™单管封装器件为3µs，功率模块则仅为2µs 。

2.3 中枢各别解析：物理根源

SiC MOSFET和IGBT短路特质的显赫各别，植根于二者在材料和器件结构上的根柢区别。

最初，SiC材料的临界电场强度约为硅的10倍 。为了已矣换取的1200V耐压品级，SiC MOSFET的漂移区厚度不错远小于Si IGBT。在短路景象下，器件承受母线电压，电场散布在整个这个词漂移区。更薄的漂移区意味着热量产生的高度围聚，加上SiC芯片较小的面积，导致其电流密度和功率密度远高于IGBT。这种高度围聚的产热效应，使得SiC MOSFET的结温在微秒级别内赶快攀升至热极限，从而发生热失控。

其次，IGBT的自限流机制源于其里面复杂的PNP双极型晶体管结构，该结构在短路时干预有源区，豪爽对电流进行灵验钳位。而SiC MOSFET的单极性结构则短缺这种内在的自限流材干，其电流会随电压升高而握续增多，导致短路功率耗散的急剧上涨。

这些物理上的本体各别，共同导致了SiC MOSFET的短路耐受时候远低于IGBT，这并非SiC本事的障碍，而是其高功率密度特质的势必拆开 。因此，想象一个豪爽在这极短的“生命线”内完成保护动作的电路，关于SiC系统的可靠性至关进犯。下表转头了二者短路特质的主要区别。

特质SiC MOSFETIGBT备注短路耐受时候极短 (~2-3 µs)相对较长 (~5-10 µs)SiC耐受时候短是其高功率密度的副产物

短路电流高，经常为额定电流的10倍以上较低，经常为额定电流的4-6倍SiC电流随VDS升高而握续增大，无自限流特质

热量围聚度极高，芯单方面积小、漂移层薄相对较低SiC短路时温升速率极快

电流限流机制无法自限流，需要外部保护在有源区具有自限流特质IGBT在短路时干预有源区，电流得到终局

保护难度高，需要超高速、高精度保护相对较低，保护时候窗口更宽SiC保护需要兼顾极短反当令候与抗噪声材干

3. SiC MOSFET短路保护的必要性与挑战

3.1 保护的必要性：活命与可靠性的底线

SiC MOSFET的短路耐受时候经常仅为2µs至3µs ，这意味着从短路故障发生的那一刻起，保护电路必须在这极短的时候窗口内完成故障检测、科罚和器件的澈底关断。任何卓越这一时限的保护蔓延都可能导致器件长久性损坏。因此，短路保护关于确保SiC功率系统的恒久清爽运行是必不行少的 。在电机驱动、电源搭救等复杂应用环境中，短路故障并非凄惨，可能由多种身分引起，举例负载短路、器件硬开关故障（Hard-Switching Fault, HSF）或半桥纵贯（Shoot-Through Fault, STF）等 。

3.2 短路保护的挑战

想象一个可靠的SiC短路保护电路靠近着独有的挑战，这主要源于SiC器件本人的高速特质与高压应用环境的矛盾。

时效性与抗扰性的量度： 保护电路必须弥散快，以在2µs的短路耐受时候内完成整个这个词保护经过。然则，SiC MOSFET极快的开关速率会产生高达数十kV/µs的dv/dt和数十kA/µs的di/dt，这些瞬态变化在PCB的寄生电感上会感应出电压尖峰，形成热烈的电磁打扰（EMI）。保护电路必须豪爽永别真实的短路故障信号与这些瞬态噪声，不然就会发生误触发。因此，短路检测时候需要在快速反应和屏蔽噪声之间找到一个精妙的均衡 。

短路电流的高幅值： SiC MOSFET的短路电流峰值可达额定电流的10倍以上，这给电流检测带来了挑战。传统的电流传感器可能因反应速率不及或动态范围有限而失效。

关断过程中的电压过冲： 即使短路电流被收效检测，其快速关断过程也会在主回路的寄生电感上产生宏大的电压尖峰（VOS=Lstray×di/dt），这个尖峰电压可能卓越器件的额定电压，导致器件雪崩击穿，形成二次损坏 。

3.3 主流短路保护决议概述

为了应付上述挑战，业界发展出多种短路保护决议，其中最主流的包括：

分流电阻检测决议（Shunt Resistor）： 在主回路中串联一个低阻值的分流电阻，通过测量其两头电压来检测电流。该决议粗浅径直，但会在主回路中引入格外的功耗，镌汰系统成果 。

SenseFET电流检测决议： 这种决议诓骗集成在功率器件里面的微型检测晶体管（SenseFET）来赢得与主电流成比例的渺小电流，从而幸免了主回路中的格外损耗。但该决议需要特定的功率模块因循，且会增多系统资本 。

退饱和保护（DESAT）决议： 该决议通过监测功率器件导通时的漏极-源极电压（VDS）来障碍判断是否发生短路。在平方工作时VDS很低，而在短路时VDS会赶快升高。这种决议不增多主回路功耗，且其检测电路不错便捷地集成在栅极驱动芯片中。由于其高性价比和可靠性，DESAT已成为SiC MOSFET短路保护的首选决议 。

4. 栅极驱动芯片退饱和保护(DESAT)的旨趣与应用

退饱和保护（DESAT）当作现在应用最泛泛的短路保护决议，其想象精妙且可靠。该功能经常集成在专用的栅极驱动芯片中，为SiC MOSFET提供了一皆要津的保护防地。

4.1 DESAT保护基础旨趣

DESAT保护的中枢想想是基于对功率器件导通压降的实时监测。在平方导通景象下，SiC MOSFET的漏极-源极电压(VDS)突出低，其值等于导通电流与导通电阻(RDS(on))的乘积。当发生短路故障时，尽管栅极电压保握高电平，但由于短路电流的剧烈增多，器件会干预饱和区，其VDS会赶快攀升至接近母线电压的水平 。这种由低压降向高压降的突变被称为“退饱和”气候。

DESAT保护电路恰是诓骗这一旨趣来工作的。它使用一个高压二极管将功率器件的VDS运动到栅极驱动芯片的DESAT引脚 。在平方导通时，VDS很低，二极管正向导通，DESAT引脚的电压被钳位在一个极低的水平。当短路发生，VDS}急剧升高时，二极管反向截止，驱动芯片里面的恒流源运行向一个外部电容充电。一朝DESAT引脚上的电压卓越预设的阈值电压，芯片便会判定为短路故障，并触发保护关断 。

4.2 DESAT保护电路拓扑与要津组件

一个典型的DESAT保护电路经常由以下要津组件组成 ：

高压二极管 (DDESAT)：当作电压采样探头，将功率器件的漏极电压反馈到驱动芯片。该二极管必须具有弥散高的反向耐压，且其反向复原时候需极短，寄生电容要尽可能小，以减少噪声耦合和开关蔓延，确保检测的准确性。

消隐电容 (CBLANK)：运动在DESAT引脚和地之间，其主要作用是界说“消隐时候”。

限流电阻 (RDESAT)：串联在D_{DESAT}和DESAT引脚之间，用于在器件开放顷刻间防止由于高dv/dt耦合产生的大电流尖峰，保护驱动芯片的DESAT引脚免受损坏。

里面恒流源 (IDESAT)：这是驱动芯片里面集成的中枢组件，负责在短路发生时为消隐电容充电。其电流大小决定了充电速率，从而影响保护的反当令候 。

4.3 DESAT保护工作经过与时序分析

DESAT保护的工作经过是一个时序严谨的过程，其想象需要突出关爱SiC MOSFET的动态特质 ：

开放明消隐阶段（Blanking Time）：当栅极驱动信号开放器件后，DESAT保护功能不会立即启动。违犯，驱动芯片会干预一个预设的“消隐时候” (tblank) 。这个时候窗口的盘算是为了屏蔽器件开放顷刻间因高

dv/dt产生的电压尖峰噪声，提防保护电路发生误触发。消隐时候的曲直由外部电容C_{BLANK}和里面恒流源I_{DESAT}共同决定，其计算公式为： t_{blank} = (C_{BLANK} \times V_{DESATth}) / I_{DESAT} 其中V_{DESATth}是里面比较器的阈值电压。针对SiC MOSFET极短的短路耐受时候，消隐时候必须经过尽心的想象和校准，以确保它既能灵验滤除噪声，又不会占用过多的保护时候。

故障检测阶段：消隐时候终局后，DESAT电路厚爱运行工作。

在平方导通景象下，V_{DS}$电压低，D_{DESAT}正向导通，DESAT引脚电压被钳位在二极管的导通压降，远低于V_{DESATth}，保护功能保握静默。

在短路故障发生时，V_{DS}赶快升高，D_{DESAT}反向截止。此时，里面恒流源运行对C_{BLANK}充电。当C_{BLANK}上的电压（即DESAT引脚电压）卓越V_DESATth}时，芯片立即识别为短路故障，并触发关断信号。

关断阶段：检测到故障后，驱动芯片会激活故障报警输出，并干预关断经过。为了防止高di/dt引起的电压过冲，当代栅极驱动器经常摄取软关断（Soft Turn-off）机制 。软关断通过一个受控的里面弱下拉电流源或一个格外的袖珍MOSFET，逐步地将栅极电压拉低，从而减缓短路电流的下跌速率，灵验镌汰 di/dt和由此产生的电压尖峰，提防器件在关断顷刻间被损坏 。

4.4 针对SiC MOSFET的DESAT保护想象优化

针对SiC MOSFET的DESAT保护想象，其中枢在于在反应速率和抗打扰材干之间寻找最好均衡点 。这需要从以下几个方面进行优化：

阈值电压成立： SiC MOSFET的平方导通压降远低于IGBT，且其短路时电流无法自限流。因此，为SiC MOSFET想象的DESAT阈值电压需要凭据其具体的短路行径进行调整，经常需要成立得更低，以确保在短路电流达到危机水平前就能触发保护 。

消隐时候成立： SiC MOSFET的短路耐受时候极短，总保护时候窗口被严格终局。因此，必须将消隐时候想象得尽可能短，同期又要确保其足以屏蔽开放瞬态噪声。选拔具有可成就DESAT参数（如充电电流、滤波时候）的栅极驱动芯片，不错为工程师提供更大的想象天真性 。

米勒钳位功能与DESAT保护的协同作用： 在半桥拓扑中，SiC MOSFET的高dv/dt通晓过栅-走电容(Cgd)在对管的栅极产生感应电压，可能导致误开放，激勉纵贯短路 。米勒钳位功能通过在器件关断时提供一个低阻抗通路将栅极钳位至负电源，灵验地防止了这种米勒效应引起的误开放。因此，米勒钳位与DESAT保护并非相互寥寂，而是在应付不同类型的故障方式时协同工作，共同进步了系统的举座可靠性 。

5. 典型案例分析与想象建议

5.1 BASiC SiC模块与驱动决议分析

文档中提供了BASiC半导体一系列SiC模块的简略信息，包括34mm封装的BMF80R12RA3、BMF120R12RB3、BMF160R12RA3和E2B封装的BMF008MR12E2G3、BMF240R12E2G3，以及62mm封装的BMF540R12KA3、BMF360R12KA3等产物 。这些模块都强调了其低导通损耗、低开关损耗和高功率密度等特质，并集成了NTC温度传感器，以进步产物的可靠性。

BMF80R12RA3模块具有较低的反向传输电容(Crss)和栅源阈值电压(VGS(th)) ，这些参数径直推敲到器件的开关速率和对噪声的明锐性。其配套的驱动决议提到了BTD5350MCWR驱动芯片 。该芯片集成了米勒钳位功能，不错灵验应付SiC MOSFET在半桥拓扑中因高 dv/dt引起的误开放问题 。

5.2 行业主流DESAT驱动芯片理解

当代的栅极驱动芯片照旧将多种保护功能高度集成，以鼎沸SiC MOSFET尖刻的短路保护条件。举例，德州仪器（TI）的UCC217xx系列掩饰式栅极驱动器，便是专为SiC MOSFET和IGBT想象的高性能产物。

该系列芯片集成了多项先进功能，包括：

快速过流和短路检测：通过DESAT引脚已矣，具有可编程的反当令候，豪爽快速关断器件 。

软关断：当检测到故障时，芯片通晓过一个里面受控电流源（举例400mA）逐步地关断器件，以防止电压过冲 。

有源米勒钳位：主动钳位栅极电压，提防米勒效应引起的误开放 。

故障报警：通过故障（FLT）引脚向端正器（MCU）发送报警信号，已矣系统级的保护联动 。

欠压锁定（UVLO）：确保驱动芯片在电源电压不实时不会误工作 。

这些功能的协同作用组成了完好的故障保护链。举例，米勒钳位功能在平方运行时提防了桥臂纵贯短路，而DESAT保护则在果真的短路故障发生时，通过软关断机制安全地关断了器件，并防止了关断过压。这标明，一个可靠的SiC系统需要依赖多种保护功能的有机连结，而非单一的保护递次 。

5.3 SiC模块短路保护电路想象建议

概括上述分析，为SiC MOSFET想象短路保护电路时，应解任以下要津建议：

精准成就DESAT参数： 凭据所选SiC模块的短路耐受时候（经常为2µs至3µs），精准计算和成就DESAT的消隐时候和阈值电压。消隐时候必须弥散长以幸免误触发，但总保护时候（消隐时候 + 关断蔓延）必须严格小于器件的短路耐受时候。

优化PCB布局： 减小栅极驱动回路和主功率回路的寄生电感至关进犯。主回路的寄生电感越小，短路关断时的电压过冲越低，保护难度越小。

合理选型外部组件： 选拔具有低寄生电容和极低反向复原时候的高压二极管用于DESAT检测，以提高检测精度和反应速率。

诓骗集成保护功能： 优先选拔集成了DESAT保护、米勒钳位和软关断等高档功能的专用SiC栅极驱动芯片，以简化想象，同期确保多重保护的协同作用，全面进步系统的鲁棒性。

6. 论断与预测

6.1 答复转头

倾佳电子探讨了SiC MOSFET的短路特质与保护机制，了了地论述了其与传统IGBT在短路耐受时候、电流限流机制和热失控机理上的本体区别。SiC MOSFET因其高功率密度而带来的短路电流高、热量围聚等特质，使其短路耐受时候远低于IGBT，对保护电路的时效性提议了极为严苛的条件。

在浩荡保护决议中，退饱和保护（DESAT）因其不增多主回路损耗、易于集成在栅极驱动芯片中等优点，成为SiC短路保护的主流选拔。倾佳电子胪陈了DESAT保护的电路旨趣、工作经过和要津参数成立，并强调了在想象中必须在快速反应和抗打扰材干之间取得均衡。同期，米勒钳位和软关断等协同保护功能关于应付SiC MOSFET的独有动态特质至关进犯。

深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦新动力与电力电子变革的中枢鼓舞者：

倾佳电子确立于2018年，总部位于深圳福田区，定位于功率半导体与新动力汽车运动器的专科分销商，业务聚焦三大标的：

新动力：笼罩光伏、储能、充电基础方法；

交通电动化：服务新动力汽车三电系统（电控、电板、电机）及高压平台升级；

数字化转型：因循AI算力电源、数据中心等新式电力电子应用。

公司以“鼓舞国产SiC替代入口、加快动力低碳转型”为职责，反应国度“双碳”战术（碳达峰、碳中庸），奋勉于镌汰电力电子系统能耗。

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6.2 改日预测

跟着SiC本事的握续发展体育游戏app平台，改日的SiC MOSFET器件短路耐受材干有望得到改善，但其短路时候短于IGBT的本体特质将恒久存在。因此，栅极驱动芯片当作保护电路的中枢，将陆续向高集成度、高天真性和高智能化标的发展。改日的栅极驱动器可能会提供更细巧、可成就的保护参数，如通过数字接口（如SPI）已矣DESAT阈值和软关断斜率的实时调整，从而更好地合乎SiC器件的动态特质和各种化的应用需求。这些本事跳动将进一步简化SiC系统的想象，全面进步其在新动力、工业、航空航天等高可靠性范围的应用远景。

发布于：广东省