SiC和IGBT的安全屏障---退飽和保護

前言

新能源汽車電驅產品、充電產品、儲能產品及其他工業電源產品中，SiC和IGBT作為功率轉換的核心器件，其安全性和可靠性尤為重要。再電源產品眾多的故障中，短路故障是最危險的故障之一。無論是單管或是模組，在短路發生時，回路阻抗非常小，電流迅速上升，短時間內器件積累大量的熱，導致器件被燒毀。故能夠再SOA（Safe Operating Area）內快速的識別短路故障并作出保護動作顯得格外重要。退飽和保護（DESAT）是一種有效地保護方法，本文根據網絡公開資料學習整理。

1 為什么會發生退飽和現象

首先從IGBT和SiC的平面結構說起，兩者相類似，都會發生退飽和現象。圖1是簡化的平面型IGBT剖面圖，以此來闡述退飽和產生的原因。門極施加一個大于Vge的電壓，門極氧化層下方產生強反型層，形成導電溝道，此時給集電極時間正壓，發射極中的電子在電場的作用下源源不斷地從發射極流向集電極，集電極中的空穴從集電極流向發射極，從而形成電流。此時，電流隨著集-射電壓的增大而線性增大，器件工作在飽和區。當集-射電壓進一步增大，溝道末的電勢隨著集-射電壓增長，使得柵極和硅表面的電壓差很小，不能維持硅表面的強反型層，此時溝道出現夾斷現象，電流不再隨集-射電壓的增加而成比例增長。該現象為器件退出了飽和區。

安全工作區：實際上，IGBT的安全工作區只占整個輸出特性曲線的一部分，大多數器件標稱的SOA區電流為額定電流的2~4倍，如圖2所示。雖然工作在安全區也不能使器件的結溫超過IGBT的最大限制，電壓應力不超過Vce最大擊穿電壓等。

若電流在超過了安全工作區所定義的電流，即使處于飽和狀態，即圖2中的紅色區域，這時關斷器件存在很大風險。此時，必須使電流降回到安全工作區或者使器件退飽和，即進入圖2所示黃色區域的短路工作區，在極短時間內才能安全關斷。

若一直工作在飽和區，雖然電流超過了安全工作區，仍低于短路電流，如圖2中的紫色區域中，此時依然不能關斷器件。

在實際應用中，退飽和現象一般發生在器件短路時，退飽和區只能有一小部分作為短路安全工作區。多數IGBT有一定的短路承受時間，一般小于10us，而SiC一般小于3us。器件的保護動作時間必須小于耐受時間。

2 退飽和保護實現

短路時間由檢測時間和關斷時間共同組成，如圖3所示。短路檢測需要兼顧時效性與抗擾性，要求系統及時響應，避免功率模塊損壞。同時能夠屏蔽開關過程的干擾，避免誤觸發。短路檢測時間受短路保護閾值、前沿消隱時間、濾波時間、電容大小等多重因素影響，通常其設計需要在時效性與抗擾性上取平衡。

功率器件的短路承受時間一般是幾微秒級，因此過流條件下的采樣帶寬或響應時間就尤為關鍵。系統的短路保護設計需要能夠在短路情況出現時迅速響應。短路檢測也需要在開通后有一段消隱時間，以避免開關過程中的干擾造成誤觸發。短路保護的方式可分為檢測短路電流和檢測壓降兩大類。檢測電流的方式常見為通過senseFET或通過shunt電阻方式，而電壓檢測為退飽和保護。外加shunt電阻會增加系統成本，因而退飽和保護更為常見的保護方式。

退飽和電路的基本原理是電壓檢測。短路時，器件集-射極的壓降會異常升高。通過比較集-射極正常與異常情況下的電壓，即可作為短路或過流的判斷。

以IGBT為例，正常導通時，其Vce的電壓可能為2V。芯片內部的上拉電流源ICHG電流從DESAT端口流出，通過RLIM和DHV1,2流到IGBT。此時DESAT端口兩端壓降約為Vce壓降加DHV1,2壓降加RLIM兩端壓降，如圖4所示。