功率mosfet應用與解析(8)--脈衝漏極電流IDM及短路保護

前面討論過,單純的考慮IDM電流沒有意義,而是考慮最大漏極電流的持續時間。IDM和實際的應用最相關的狀態就是系統發生短路,例如在電機控制應用 中,在一些惡劣條件下,由於機械的摩擦或碰觸,繞組油漆局部剝落,那麼電機的繞組之間、以及繞組和外殼之間會產生短路。電機的繞組之間產生短路如圖1示,當某二相繞組,如A相和B相繞繞短路時,正常控制的時序開關信號將Q1/Q4開通時,Q1/Q4就會將直流母線電壓直接短線到地,產生很大的電流:

L· di/dt=Vin


L:為短路迴路的雜散電感,VIN:為輸入母線電壓。L越小,VIN越大,短路時間越長,短路的電流越大。



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圖1:電機控制原理圖


如果要保證系統的安全,需要二個條件:

(1)短路保護的時間要快。

(2)功率MOSFET可以在一定的時間內承受大的衝擊電流。

熟悉IGBT的工程師大多知道在電機控制應用中,IGBT專門有一個參數TSC來評估這個性能。對於MOSFET原理也是一樣,可以在一定的時間內承受的衝擊電流來評估這個性能,指MOSFET的柵極開通時,在發生過熱損壞前,給定的一段時間內,所承受的最大電流和最大電壓。由於同時施加高壓和大電流,MOSFET內部產生大量的熱,若脈衝的寬度大於一定的值,器件在關斷過程中就會發生損壞。

當功率脈衝的寬度小於100us時,由於脈衝寬度太短,器件產生熱量沒有足夠的時間傳送到PCB或散熱器,器件內部維持相當大的瞬態功耗,這一點對於短路保護的設計非常重要。短路維持時間的測量如圖2所示,峰值漏極電流和持續時間由柵極脈衝電壓的幅值和寬度來控制。在測量的過程中要控制所加的電源電壓,保證在短路關斷過程中,VDS尖峰電壓不要超過器件最大的耐壓值。


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圖2:短路維持時間測量

AO4400的測試結果如圖3所示,在短路脈衝的測試中,由於電源的ESR的影響,VDS稍微有一些下降,由於迴路寄生電感的影響,電流上升的斜率變慢。峰值電流隨著器件結溫的快速升高而降低。如果在這個大電流下,器件可以可靠的關斷,那麼器件就在安全範圍內。如果脈衝的時間變長,那麼器件將不能可靠的關斷而發生損壞。

測量都在室溫下進行,使用單脈衝,器件放在對應的座套內,沒有安裝在1平方英寸的PCB上。脈衝寬度增加前,峰值電流能力隨初始結盟溫的增加而降低,這表明在系統中實際的工作溫度下,用戶必須對峰值功率曲線進一步的降額。器件安裝在PCB上,當脈衝寬度大於100us時,器件產生的熱量部分的可以通過銅皮散掉,峰值電流能力增加。

測量條件是單脈衝,如果使用多脈衝,在下一個脈衝加到器件時,上一個脈衝產生的熱量要能夠耗散掉,否則由於熱量積累增加器件結溫,器件短路能力將降低。通常在短的脈衝時間內,小於<100us時,器件允許結溫可接近於TJ=150C,但實際應用中要做一定的降額。

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圖3:AO4400的測試結果

圖3示出了AO4400漏極峰值電流和脈衝寬度對應曲線,結果表明:VGS=5V,峰值電流60A,器件可以在持續35us安全關斷。VGS=8V,峰值電流150A,器件可以在持續18us安全關斷。VGS=10V,峰值電流150A,器件可安全關斷持續時間更短。


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圖4:AO4400電壓,峰值電流和脈衝寬度


在不同的柵級電壓下測量短路電流,測試波形如圖5所示,採用的功率MOSFET為AOT266。VGS電壓為13V,短路電流達1000A,MOSFET在經過47us後電流失控而損壞;VGS電壓為8V,短路電流僅為500A,MOSFET在經過68us後電流失控而損壞。電流測試使用了20:1的電流互感器,電流為200A/格。


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圖5:AOT266短路測試波形


在系統控制器的柵驅動電壓下,測試短路時最大漏極電流的持續時間,如圖6,測試的器件BVDSS為100V,VGS=10V,TA=25C,器件的短路電流範圍為200-320A,在短路關斷過程中的尖峰電壓不要超過最大的100V耐壓。在設計過程中,使系統短路保護時間小於1/3-1/2的上述的持續時間,圖中紅色的區域,這樣才能使系統可靠。


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圖5:短路保護時間設定

事實上,對於大電流,在導通狀態下或關斷的過程,由於芯片內部的不平衡或其它一些原因,即使芯片沒有超過結溫,也會產生損壞。因此,在實際的應用中,要儘量的使短路保護的時間短,以減小系統短路最大沖擊電流的衝擊。具體方法就是減小短路保護迴路的延時和中斷響應的時間等。


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