傾佳電子碳化硅MOSFET短路特性與退飽和保護(hù)（DESAT）深度研究報(bào)告

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國(guó)工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。

傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢(shì)！

1. 引言

1.1 背景：寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的崛起

碳化硅（SiC）金氧半場(chǎng)效晶體管（MOSFET）作為新一代寬禁帶（Wide Bandgap, WBG）半導(dǎo)體材料的代表，正引領(lǐng)著電力電子技術(shù)的革新。相較于傳統(tǒng)的硅（Si）基絕緣柵雙極晶體管（IGBT），SiC MOSFET憑借其卓越的物理特性，如高臨界電場(chǎng)強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率及高電子飽和漂移速度，能夠在更高的開關(guān)頻率、更高的電壓和更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行 。這些內(nèi)在優(yōu)勢(shì)顯著降低了開關(guān)損耗，為實(shí)現(xiàn)更高效率、更高功率密度和更小體積的電力電子系統(tǒng)提供了可能 。

例如，在高端工業(yè)電電源應(yīng)用中，一項(xiàng)仿真對(duì)比研究揭示了SiC技術(shù)的巨大潛力。與傳統(tǒng)的1200V IGBT模塊相比，采用BASiC半導(dǎo)體的1200V 15mΩ SiC MOSFET半橋模塊BMF80R12RA3，即使將開關(guān)頻率從IGBT時(shí)代的20kHz提升至SiC的80kHz，其總損耗仍可降低至IGBT的一半左右，使整機(jī)效率提高近1.58個(gè)百分點(diǎn) 。這一顯著的性能提升，使得SiC MOSFET在工業(yè)變頻器、光伏儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車充電樁等高頻、高壓應(yīng)用領(lǐng)域迅速普及，成為替代傳統(tǒng)IGBT的理想選擇 。

1.2 挑戰(zhàn)與研究動(dòng)機(jī)

然而，SiC MOSFET技術(shù)的廣泛應(yīng)用并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。一個(gè)核心問(wèn)題在于，SiC MOSFET的短路耐受時(shí)間遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的IGBT，通常僅為2至3微秒（μs）。這種固有的脆弱性使其在面對(duì)短路故障時(shí)極易在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生災(zāi)難性損壞，對(duì)系統(tǒng)的可靠性構(gòu)成了嚴(yán)峻威脅。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高效、可靠且響應(yīng)迅速的短路保護(hù)電路，成為SiC功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一環(huán) 。

傾佳電子旨在為電力電子工程師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供一份深度研究參考。報(bào)告將從底層物理機(jī)制入手，詳盡對(duì)比SiC MOSFET與IGBT的短路特性差異；隨后，概述主流的短路保護(hù)方案，并重點(diǎn)圍繞退飽和保護(hù)（Desaturation Detection, DESAT）這一行業(yè)公認(rèn)的主流保護(hù)方法，對(duì)其工作原理、電路拓?fù)?、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置及針對(duì)SiC MOSFET的優(yōu)化策略進(jìn)行深入剖析。報(bào)告旨在通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，為SiC功率模塊的可靠應(yīng)用提供全面的技術(shù)指導(dǎo)。

2. SiC MOSFET與IGBT短路特性對(duì)比分析

2.1 IGBT的短路行為與電流自限流機(jī)制

IGBT是一種雙極性器件，其短路行為表現(xiàn)出獨(dú)特的自限流特性。在正常導(dǎo)通狀態(tài)下，IGBT工作在飽和區(qū)，其集電極-發(fā)射極電壓(VCE)很低。當(dāng)短路故障突然發(fā)生時(shí)，集電極電流(IC)會(huì)急劇增加。然而，IGBT的特性決定了它會(huì)迅速?gòu)娘柡蛥^(qū)切換到有源區(qū)（或稱線性放大區(qū)）。在這一區(qū)域，IGBT的IC主要由柵極-發(fā)射極電壓(VGE)控制，而不再隨V_{CE}的升高而顯著增加，從而表現(xiàn)出明顯的電流自限流特性 。

這種自限流機(jī)制將短路電流限制在一個(gè)相對(duì)可控的水平，通常是其額定電流的4至6倍 。由于電流和功率耗散的增長(zhǎng)得到了有效限制，IGBT能夠承受相對(duì)較長(zhǎng)的短路時(shí)間。例如，英飛凌的IGBT3/4和IGBT7的短路耐受時(shí)間分別為10μs和8μs 。這為外部保護(hù)電路提供了足夠的時(shí)間窗口來(lái)檢測(cè)故障并安全地關(guān)斷器件。

2.2 SiC MOSFET的短路行為與高電流密度

與IGBT不同，SiC MOSFET是一種單極性器件，其短路行為沒(méi)有天然的自限流特性。在正常導(dǎo)通期間，SiC MOSFET工作在線性區(qū)，其導(dǎo)通電阻(RDS(on))決定了漏極-源極電壓(VDS)。當(dāng)發(fā)生短路事件時(shí)，器件進(jìn)入飽和區(qū)，但其漏極電流(ID)并非完全恒定。相反，它會(huì)隨著V_{DS}的升高而持續(xù)增加 。這種特性使得SiC MOSFET的短路電流峰值非常高，可以達(dá)到其額定電流的10倍以上 。

此外，SiC芯片的物理尺寸遠(yuǎn)小于同電流等級(jí)的IGBT，導(dǎo)致在短路狀態(tài)下，極高的電流密度集中在狹小的芯片面積內(nèi)。例如，文檔指出，SiC MOSFET的芯片面積小于同電流等級(jí)的IGBT，使得其電流密度更高，熱量也更加集中。這種高電流密度和高短路電流的疊加效應(yīng)，使得SiC MOSFET在短路時(shí)的溫升速度極快，遠(yuǎn)超IGBT。因此，SiC MOSFET的短路耐受時(shí)間非常短，英飛凌的CoolSiC?單管封裝器件為3μs，功率模塊則僅為2μs 。

2.3 核心差異解析：物理根源

SiC MOSFET和IGBT短路特性的顯著差異，植根于二者在材料和器件結(jié)構(gòu)上的根本區(qū)別。

首先，SiC材料的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度約為硅的10倍 。為了實(shí)現(xiàn)相同的1200V耐壓等級(jí)，SiC MOSFET的漂移區(qū)厚度可以遠(yuǎn)小于Si IGBT。在短路狀態(tài)下，器件承受母線電壓，電場(chǎng)分布在整個(gè)漂移區(qū)。更薄的漂移區(qū)意味著熱量產(chǎn)生的高度集中，加上SiC芯片較小的面積，導(dǎo)致其電流密度和功率密度遠(yuǎn)高于IGBT。這種高度集中的產(chǎn)熱效應(yīng)，使得SiC MOSFET的結(jié)溫在微秒級(jí)別內(nèi)迅速攀升至熱極限，從而發(fā)生熱失控。

其次，IGBT的自限流機(jī)制源于其內(nèi)部復(fù)雜的PNP雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在短路時(shí)進(jìn)入有源區(qū)，能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行有效鉗位。而SiC MOSFET的單極性結(jié)構(gòu)則缺少這種內(nèi)在的自限流能力，其電流會(huì)隨電壓升高而持續(xù)增加，導(dǎo)致短路功率耗散的急劇上升。

這些物理上的本質(zhì)差異，共同導(dǎo)致了SiC MOSFET的短路耐受時(shí)間遠(yuǎn)低于IGBT，這并非SiC技術(shù)的缺陷，而是其高功率密度特性的必然結(jié)果 。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在這極短的“生命線”內(nèi)完成保護(hù)動(dòng)作的電路，對(duì)于SiC系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。下表總結(jié)了二者短路特性的主要區(qū)別。

3. SiC MOSFET短路保護(hù)的必要性與挑戰(zhàn)

3.1 保護(hù)的必要性：生存與可靠性的底線

SiC MOSFET的短路耐受時(shí)間通常僅為2μs至3μs ，這意味著從短路故障發(fā)生的那一刻起，保護(hù)電路必須在這極短的時(shí)間窗口內(nèi)完成故障檢測(cè)、處理和器件的完全關(guān)斷。任何超過(guò)這一時(shí)限的保護(hù)延遲都可能導(dǎo)致器件永久性損壞。因此，短路保護(hù)對(duì)于確保SiC功率系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是必不可少的 。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源轉(zhuǎn)換等復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境中，短路故障并非罕見(jiàn)，可能由多種因素引起，例如負(fù)載短路、器件硬開關(guān)故障（Hard-Switching Fault, HSF）或半橋直通（Shoot-Through Fault, STF）等 。

3.2 短路保護(hù)的挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的SiC短路保護(hù)電路面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)，這主要源于SiC器件本身的高速特性與高壓應(yīng)用環(huán)境的矛盾。

時(shí)效性與抗擾性的權(quán)衡：保護(hù)電路必須足夠快，以在2μs的短路耐受時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)保護(hù)流程。然而，SiC MOSFET極快的開關(guān)速度會(huì)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)十kV/μs的dv/dt和數(shù)十kA/μs的di/dt，這些瞬態(tài)變化在PCB的寄生電感上會(huì)感應(yīng)出電壓尖峰，形成強(qiáng)烈的電磁干擾（EMI）。保護(hù)電路必須能夠區(qū)分真實(shí)的短路故障信號(hào)與這些瞬態(tài)噪聲，否則就會(huì)發(fā)生誤觸發(fā)。因此，短路檢測(cè)時(shí)間需要在快速響應(yīng)和屏蔽噪聲之間找到一個(gè)精妙的平衡 。

短路電流的高幅值：SiC MOSFET的短路電流峰值可達(dá)額定電流的10倍以上，這給電流檢測(cè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電流傳感器可能因響應(yīng)速度不足或動(dòng)態(tài)范圍有限而失效。

關(guān)斷過(guò)程中的電壓過(guò)沖：即使短路電流被成功檢測(cè)，其快速關(guān)斷過(guò)程也會(huì)在主回路的寄生電感上產(chǎn)生巨大的電壓尖峰（VOS=Lstray×di/dt），這個(gè)尖峰電壓可能超過(guò)器件的額定電壓，導(dǎo)致器件雪崩擊穿，造成二次損壞 。

3.3 主流短路保護(hù)方案概述

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，業(yè)界發(fā)展出多種短路保護(hù)方案，其中最主流的包括：

分流電阻檢測(cè)方案（Shunt Resistor）：在主回路中串聯(lián)一個(gè)低阻值的分流電阻，通過(guò)測(cè)量其兩端電壓來(lái)檢測(cè)電流。該方案簡(jiǎn)單直接，但會(huì)在主回路中引入額外的功耗，降低系統(tǒng)效率 。

SenseFET電流檢測(cè)方案：這種方案利用集成在功率器件內(nèi)部的微型檢測(cè)晶體管（SenseFET）來(lái)獲取與主電流成比例的微小電流，從而避免了主回路中的額外損耗。但該方案需要特定的功率模塊支持，且會(huì)增加系統(tǒng)成本 。

退飽和保護(hù)（DESAT）方案：該方案通過(guò)監(jiān)測(cè)功率器件導(dǎo)通時(shí)的漏極-源極電壓（VDS）來(lái)間接判斷是否發(fā)生短路。在正常工作時(shí)VDS很低，而在短路時(shí)VDS會(huì)迅速升高。這種方案不增加主回路功耗，且其檢測(cè)電路可以方便地集成在柵極驅(qū)動(dòng)芯片中。由于其高性價(jià)比和可靠性，DESAT已成為SiC MOSFET短路保護(hù)的首選方案 。

4. 柵極驅(qū)動(dòng)芯片退飽和保護(hù)(DESAT)的原理與應(yīng)用

退飽和保護(hù)（DESAT）作為目前應(yīng)用最廣泛的短路保護(hù)方案，其設(shè)計(jì)精妙且可靠。該功能通常集成在專用的柵極驅(qū)動(dòng)芯片中，為SiC MOSFET提供了一道關(guān)鍵的保護(hù)防線。

4.1 DESAT保護(hù)基礎(chǔ)原理

DESAT保護(hù)的核心思想是基于對(duì)功率器件導(dǎo)通壓降的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在正常導(dǎo)通狀態(tài)下，SiC MOSFET的漏極-源極電壓(VDS)非常低，其值等于導(dǎo)通電流與導(dǎo)通電阻(RDS(on))的乘積。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，盡管柵極電壓保持高電平，但由于短路電流的劇烈增加，器件會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)，其VDS會(huì)迅速攀升至接近母線電壓的水平 。這種由低壓降向高壓降的突變被稱為“退飽和”現(xiàn)象。

DESAT保護(hù)電路正是利用這一原理來(lái)工作的。它使用一個(gè)高壓二極管將功率器件的VDS連接到柵極驅(qū)動(dòng)芯片的DESAT引腳 。在正常導(dǎo)通時(shí)，VDS很低，二極管正向?qū)?，DESAT引腳的電壓被鉗位在一個(gè)極低的水平。當(dāng)短路發(fā)生，VDS}急劇升高時(shí)，二極管反向截止，驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的恒流源開始向一個(gè)外部電容充電。一旦DESAT引腳上的電壓超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值電壓，芯片便會(huì)判定為短路故障，并觸發(fā)保護(hù)關(guān)斷 。

4.2 DESAT保護(hù)電路拓?fù)渑c關(guān)鍵組件

一個(gè)典型的DESAT保護(hù)電路通常由以下關(guān)鍵組件構(gòu)成 ：

高壓二極管 (DDESAT)：作為電壓采樣探頭，將功率器件的漏極電壓反饋到驅(qū)動(dòng)芯片。該二極管必須具有足夠高的反向耐壓，且其反向恢復(fù)時(shí)間需極短，寄生電容要盡可能小，以減少噪聲耦合和開關(guān)延遲，確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

消隱電容 (CBLANK)：連接在DESAT引腳和地之間，其主要作用是定義“消隱時(shí)間”。

限流電阻 (RDESAT)：串聯(lián)在D_{DESAT}和DESAT引腳之間，用于在器件開通瞬間抑制由于高dv/dt耦合產(chǎn)生的大電流尖峰，保護(hù)驅(qū)動(dòng)芯片的DESAT引腳免受損壞。

內(nèi)部恒流源 (IDESAT)：這是驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部集成的核心組件，負(fù)責(zé)在短路發(fā)生時(shí)為消隱電容充電。其電流大小決定了充電速度，從而影響保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間 。

4.3 DESAT保護(hù)工作流程與時(shí)序分析

DESAT保護(hù)的工作流程是一個(gè)時(shí)序嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程，其設(shè)計(jì)需要特別關(guān)注SiC MOSFET的動(dòng)態(tài)特性 ：

開通后消隱階段（Blanking Time）：當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)開通器件后，DESAT保護(hù)功能不會(huì)立即啟動(dòng)。相反，驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)進(jìn)入一個(gè)預(yù)設(shè)的“消隱時(shí)間” (tblank) 。這個(gè)時(shí)間窗口的目的是為了屏蔽器件開通瞬間因高

dv/dt產(chǎn)生的電壓尖峰噪聲，防止保護(hù)電路發(fā)生誤觸發(fā)。消隱時(shí)間的長(zhǎng)短由外部電容C_{BLANK}和內(nèi)部恒流源I_{DESAT}共同決定，其計(jì)算公式為： t_{blank} = (C_{BLANK} times V_{DESATth}) / I_{DESAT} 其中V_{DESATth}是內(nèi)部比較器的閾值電壓。針對(duì)SiC MOSFET極短的短路耐受時(shí)間，消隱時(shí)間必須經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)，以確保它既能有效濾除噪聲，又不會(huì)占用過(guò)多的保護(hù)時(shí)間。

故障檢測(cè)階段：消隱時(shí)間結(jié)束后，DESAT電路正式開始工作。

在正常導(dǎo)通狀態(tài)下，V_{DS}$電壓低，D_{DESAT}正向?qū)ǎ珼ESAT引腳電壓被鉗位在二極管的導(dǎo)通壓降，遠(yuǎn)低于V_{DESATth}，保護(hù)功能保持靜默。

在短路故障發(fā)生時(shí)，V_{DS}迅速升高，D_{DESAT}反向截止。此時(shí)，內(nèi)部恒流源開始對(duì)C_{BLANK}充電。當(dāng)C_{BLANK}上的電壓（即DESAT引腳電壓）超過(guò)V_DESATth}時(shí)，芯片立即識(shí)別為短路故障，并觸發(fā)關(guān)斷信號(hào)。

關(guān)斷階段：檢測(cè)到故障后，驅(qū)動(dòng)芯片會(huì)激活故障報(bào)警輸出，并進(jìn)入關(guān)斷流程。為了抑制高di/dt引起的電壓過(guò)沖，現(xiàn)代柵極驅(qū)動(dòng)器通常采用軟關(guān)斷（Soft Turn-off）機(jī)制 。軟關(guān)斷通過(guò)一個(gè)受控的內(nèi)部弱下拉電流源或一個(gè)額外的小型MOSFET，緩慢地將柵極電壓拉低，從而減緩短路電流的下降速度，有效降低 di/dt和由此產(chǎn)生的電壓尖峰，防止器件在關(guān)斷瞬間被損壞 。

4.4 針對(duì)SiC MOSFET的DESAT保護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)SiC MOSFET的DESAT保護(hù)設(shè)計(jì)，其核心在于在響應(yīng)速度和抗干擾能力之間尋找最佳平衡點(diǎn) 。這需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

閾值電壓設(shè)置：SiC MOSFET的正常導(dǎo)通壓降遠(yuǎn)低于IGBT，且其短路時(shí)電流無(wú)法自限流。因此，為SiC MOSFET設(shè)計(jì)的DESAT閾值電壓需要根據(jù)其具體的短路行為進(jìn)行調(diào)整，通常需要設(shè)置得更低，以確保在短路電流達(dá)到危險(xiǎn)水平前就能觸發(fā)保護(hù) 。

消隱時(shí)間設(shè)置：SiC MOSFET的短路耐受時(shí)間極短，總保護(hù)時(shí)間窗口被嚴(yán)格限制。因此，必須將消隱時(shí)間設(shè)計(jì)得盡可能短，同時(shí)又要確保其足以屏蔽開通瞬態(tài)噪聲。選擇具有可配置DESAT參數(shù)（如充電電流、濾波時(shí)間）的柵極驅(qū)動(dòng)芯片，可以為工程師提供更大的設(shè)計(jì)靈活性 。

米勒鉗位功能與DESAT保護(hù)的協(xié)同作用：在半橋拓?fù)渲?，SiC MOSFET的高dv/dt會(huì)通過(guò)柵-漏電容(Cgd)在對(duì)管的柵極產(chǎn)生感應(yīng)電壓，可能導(dǎo)致誤開通，引發(fā)直通短路 。米勒鉗位功能通過(guò)在器件關(guān)斷時(shí)提供一個(gè)低阻抗通路將柵極鉗位至負(fù)電源，有效地抑制了這種米勒效應(yīng)引起的誤開通。因此，米勒鉗位與DESAT保護(hù)并非相互獨(dú)立，而是在應(yīng)對(duì)不同類型的故障模式時(shí)協(xié)同工作，共同提升了系統(tǒng)的整體可靠性 。

5. 典型案例分析與設(shè)計(jì)建議

5.1 BASiC SiC模塊與驅(qū)動(dòng)方案分析

文檔中提供了BASiC半導(dǎo)體一系列SiC模塊的詳細(xì)信息，包括34mm封裝的BMF80R12RA3、BMF120R12RB3、BMF160R12RA3和E2B封裝的BMF008MR12E2G3、BMF240R12E2G3，以及62mm封裝的BMF540R12KA3、BMF360R12KA3等產(chǎn)品 。這些模塊都強(qiáng)調(diào)了其低導(dǎo)通損耗、低開關(guān)損耗和高功率密度等特性，并集成了NTC溫度傳感器，以提升產(chǎn)品的可靠性。

BMF80R12RA3模塊具有較低的反向傳輸電容(Crss)和柵源閾值電壓(VGS(th)) ，這些參數(shù)直接關(guān)系到器件的開關(guān)速度和對(duì)噪聲的敏感性。其配套的驅(qū)動(dòng)方案提到了BTD5350MCWR驅(qū)動(dòng)芯片 。該芯片集成了米勒鉗位功能，可以有效應(yīng)對(duì)SiC MOSFET在半橋拓?fù)渲幸蚋?dv/dt引起的誤開通問(wèn)題 。

5.2 行業(yè)主流DESAT驅(qū)動(dòng)芯片剖析

現(xiàn)代的柵極驅(qū)動(dòng)芯片已經(jīng)將多種保護(hù)功能高度集成，以滿足SiC MOSFET苛刻的短路保護(hù)要求。例如，德州儀器（TI）的UCC217xx系列隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，就是專為SiC MOSFET和IGBT設(shè)計(jì)的高性能產(chǎn)品。

該系列芯片集成了多項(xiàng)先進(jìn)功能，包括：

快速過(guò)流和短路檢測(cè)：通過(guò)DESAT引腳實(shí)現(xiàn)，具有可編程的響應(yīng)時(shí)間，能夠快速關(guān)斷器件 。

軟關(guān)斷：當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，芯片會(huì)通過(guò)一個(gè)內(nèi)部受控電流源（例如400mA）緩慢地關(guān)斷器件，以抑制電壓過(guò)沖 。

有源米勒鉗位：主動(dòng)鉗位柵極電壓，防止米勒效應(yīng)引起的誤開通 。

故障報(bào)警：通過(guò)故障（FLT）引腳向控制器（MCU）發(fā)送報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的保護(hù)聯(lián)動(dòng) 。

欠壓鎖定（UVLO）：確保驅(qū)動(dòng)芯片在電源電壓不足時(shí)不會(huì)誤工作 。

這些功能的協(xié)同作用構(gòu)成了完整的故障保護(hù)鏈。例如，米勒鉗位功能在正常運(yùn)行時(shí)防止了橋臂直通短路，而DESAT保護(hù)則在真正的短路故障發(fā)生時(shí)，通過(guò)軟關(guān)斷機(jī)制安全地關(guān)斷了器件，并抑制了關(guān)斷過(guò)壓。這表明，一個(gè)可靠的SiC系統(tǒng)需要依賴多種保護(hù)功能的有機(jī)結(jié)合，而非單一的保護(hù)措施 。

5.3 SiC模塊短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)建議

綜合上述分析，為SiC MOSFET設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路時(shí)，應(yīng)遵循以下關(guān)鍵建議：

精確配置DESAT參數(shù)：根據(jù)所選SiC模塊的短路耐受時(shí)間（通常為2μs至3μs），精確計(jì)算和配置DESAT的消隱時(shí)間和閾值電壓。消隱時(shí)間必須足夠長(zhǎng)以避免誤觸發(fā)，但總保護(hù)時(shí)間（消隱時(shí)間 + 關(guān)斷延遲）必須嚴(yán)格小于器件的短路耐受時(shí)間。

優(yōu)化PCB布局：減小柵極驅(qū)動(dòng)回路和主功率回路的寄生電感至關(guān)重要。主回路的寄生電感越小，短路關(guān)斷時(shí)的電壓過(guò)沖越低，保護(hù)難度越小。

合理選型外部組件：選擇具有低寄生電容和極低反向恢復(fù)時(shí)間的高壓二極管用于DESAT檢測(cè)，以提高檢測(cè)精度和響應(yīng)速度。

利用集成保護(hù)功能：優(yōu)先選擇集成了DESAT保護(hù)、米勒鉗位和軟關(guān)斷等高級(jí)功能的專用SiC柵極驅(qū)動(dòng)芯片，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)確保多重保護(hù)的協(xié)同作用，全面提升系統(tǒng)的魯棒性。

6. 結(jié)論與展望

6.1 報(bào)告總結(jié)

傾佳電子探討了SiC MOSFET的短路特性與保護(hù)機(jī)制，清晰地闡明了其與傳統(tǒng)IGBT在短路耐受時(shí)間、電流限流機(jī)制和熱失控機(jī)理上的本質(zhì)區(qū)別。SiC MOSFET因其高功率密度而帶來(lái)的短路電流高、熱量集中等特性，使其短路耐受時(shí)間遠(yuǎn)低于IGBT，對(duì)保護(hù)電路的時(shí)效性提出了極為嚴(yán)苛的要求。

在眾多保護(hù)方案中，退飽和保護(hù)（DESAT）因其不增加主回路損耗、易于集成在柵極驅(qū)動(dòng)芯片中等優(yōu)點(diǎn)，成為SiC短路保護(hù)的主流選擇。傾佳電子詳述了DESAT保護(hù)的電路原理、工作流程和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，并強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計(jì)中必須在快速響應(yīng)和抗干擾能力之間取得平衡。同時(shí)，米勒鉗位和軟關(guān)斷等協(xié)同保護(hù)功能對(duì)于應(yīng)對(duì)SiC MOSFET的獨(dú)特動(dòng)態(tài)特性至關(guān)重要。

深圳市傾佳電子有限公司（簡(jiǎn)稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動(dòng)者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：
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交通電動(dòng)化：服務(wù)新能源汽車三電系統(tǒng)（電控、電池、電機(jī)）及高壓平臺(tái)升級(jí)；
數(shù)字化轉(zhuǎn)型：支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應(yīng)用。
公司以“推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC替代進(jìn)口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命，響應(yīng)國(guó)家“雙碳”政策（碳達(dá)峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。
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6.2 未來(lái)展望

隨著SiC技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，未來(lái)的SiC MOSFET器件短路耐受能力有望得到改善，但其短路時(shí)間短于IGBT的本質(zhì)特性將長(zhǎng)期存在。因此，柵極驅(qū)動(dòng)芯片作為保護(hù)電路的核心，將繼續(xù)向高集成度、高靈活性和高智能化方向發(fā)展。未來(lái)的柵極驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)提供更精細(xì)、可配置的保護(hù)參數(shù)，如通過(guò)數(shù)字接口（如SPI）實(shí)現(xiàn)DESAT閾值和軟關(guān)斷斜率的實(shí)時(shí)調(diào)整，從而更好地適應(yīng)SiC器件的動(dòng)態(tài)特性和多樣化的應(yīng)用需求。這些技術(shù)進(jìn)步將進(jìn)一步簡(jiǎn)化SiC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，全面提升其在新能源、工業(yè)、航空航天等高可靠性領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

審核編輯 黃宇