SiC MOSFET短路時間相比IGBT短很多,英飛凌CoolSiC MOSFET單管保證3us的短路時間,Easy模塊保證2us的短路時間,因此要求驅動電路和的短路響應迅速而精確。今天,我們來具體看一下這個短而精的程度。
圖1是傳統典型的驅動芯片退飽和檢測原理,芯片內置一個恒流源。功率開關器件在門極電壓一定時,發生短路后,電流不斷增加,導致器件VCE電壓迅速提升至母線電壓,高壓二極管被阻斷,恒流源電流向電容CDESAT充電,當上電容CDESAT的電壓被恒流源充至大于比較器參考電壓后,觸發驅動器關閉輸出。這樣在每一次IGBT開通的初始瞬間,即使VCE還沒有來得及下降進入飽和狀態,電容CDESAT上的電壓也不會突變。恒流源將電容CDESAT充電至比較器參考電壓需要一段時間,這段時間我們叫它消隱時間,它直接影響了短路保護的時間。消隱時間可由下式進行計算:
UC_DESAT的大小是驅動芯片設計的參考電壓決定的,把它當常數對待。從以上公式可以看出,恒流源的電流I越大,充電時間越短,對短路的響應越快。雖然理論上減小電容也是可以實現減少充電時間的,但是由于集成在驅動芯片內的恒流源電流本身就很小,也就幾百個μA,而短路的保護通常只有幾個μs,所以這個電容也就只能幾百個pF。事實上電路板布線的寄生電容可能也有幾十pF,而且減小電容易受干擾導致短路誤報。下面我們來具體計算一下。
圖1
之前已經給出了短路時間的理論公式,但在實際應用時,無論是恒流源電流值、電容值還是參考電壓值都會有波動,比如溫度變化就能引起數值偏差。表1是英飛凌產品1ED020I12-F2的偏差值,把所有的這些偏差疊加一起得到如下Δt的短路時間偏差值:
表1
加上芯片里有些系統濾波時間和響應時間,如短路時序圖2中TDESATleb和TDESATOUT。具體數值可以在驅動芯片的規格書里找到,我們就得到了相對考慮全面的短路保護時間TSCOUT。以1ED020I12-F2為例,TDESATleb和TDESATOUT分別是400ns和350ns。
圖2
因為要適配碳化硅器件的額短路保護,追求快的短路保護時間,所以選用56pF作為CDESAT電容,且假設容值的偏差是10%,即+/-5.6pF。
那么TSC=9/500μ*56p=1.008μs,
?????=9/500μ*5.6p+56p/500μ*0.7+ 56p*9/(500μ)2*50μ=0.28μs,
TDESATleb=400ns,TDESATOUT=350ns
則,TSCOUT=1.008+0.28+0.4+0.35=2.03us
通過以上計算可以看到,使用傳統的退飽和短路檢測,2us的短路響應時間就是一個非常極限的值了。根據經驗,電路板的布線電容可能都會由50pF呢,所以才選56pF來計算而沒有用更小值。
接下來再來看一下英飛凌的新產品1ED34XX在短路檢測時間上有怎樣的不同之處。這款產品還是退飽和短路檢測的思路,但是可以不需要使用消隱電容了,如圖3。它的短路保護時序由圖4展示。其中最初的消隱時間TDESATleb是可以通過外圍電阻配置,得到固定且精準的400ns、650ns或者1150ns,偏差在10%以內。然后就正常開通電壓,如果發生短路情況,VCE迅速上升到達閾值,繼而進入一個濾波時間TDESATfilter,它的值也可以通過外圍電阻配置的,可以得到分布在225ns~3975ns區間里的9個時間之一,偏差也在10%以內。
圖3
圖4
這樣1ED34XX總的短路時間為:
其中333ns是芯片感知短路到芯片輸出關斷信號的系統延時。雖然該芯片也是可以外加電容來增加短路保護時間的,上面式子里的TSC就是電容帶來的時間,過程在之前1ED020I12-F2的短路說明里介紹過了。不過為了滿足碳化硅MOS的短路保護時間,我們選擇使用最小時間配置,也就是不使用外置電容,另外也把規格書里的偏差時間(表2)考慮上。可以得出:
表2
TSCOUT=0.4+0.225+333=0.958us
(不考慮偏差)
TSCOUT=(0.4+0.044)+(0.225+0.038+0.333+0.049)=1.089us
(考慮最大偏差)
哇!才1us的短路保護響應時間呢,即使考慮后面再給個1us的軟關斷時間,依然可以在2us內實現短路保護,如此精準快速,為您的碳化硅MOS保駕護航!不愧是新一代的驅動神器啊!除了這款用電阻配置的1ED34XX系列驅動產品,英飛凌另外還有帶I2C口的數字控制型驅動芯片1ED38XX,擁有更多變的短路模式,不僅能實現短路保護還能進行過流監測。
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