升压电源负载<span style='color:red'>短路</span>时的过电流引发的问题
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升压电源负载短路时的过电流引发的问题

　　首先，我们来了解一下“升压电源负载短路时的过电流引发的问题”。关于升压电源的输出短路引发的问题，作为示例我们在这里探讨“二极管整流方式的输出短路”、“同步整流方式的输出短路”、“背栅控制”、“低边开关的限流工作”。　　1.二极管整流方式的输出短路　　对于降压型DC-DC转换器而言，当发生输出过负载或短路时，大多数电源IC的限流电路会启动，可以防止电源IC损坏。而大多数升压型转换器，在流过超过额定电流的负载电流时或输出短路时都会发生问题。当负载电流超过额定电流时，输出电压将无法维持并且会开始下降。此时，低边开关试图通过使电流增加至低边开关的限流值来恢复下降的输出电压。但是，如果负载电流因限流功能而超出最大输出电流，那么将会变为恒定输入功率状态，输出电压会逐渐下降。　　而且，当负载阻抗降低，输出电压VOUT低于输入电压VIN减去整流二极管VF后的电压时，就会形成从电源直接通过电感器和整流二极管的电流路径。在这种状态下，低边开关的限流功能会失效，并且会流过输入输出电压差÷电阻(主要是电感的直流电阻DCR)得到的电流。当负载阻抗进一步下降，并达到短路状态VOUT=0V时，短路电流ISHORT为ISHORT=(VIN-VF)÷DCR，增加至数十安培，远远超过额定电流，这可能会导致电感器和整流二极管被烧损。　　2.同步整流方式的输出短路　　在高边开关为使用FET的同步整流方式的情况下，当检测到过电流时，最好能关闭FET开关以切断电流。然而，即使关闭了FET，由于FET存在源极和漏极之间的PN结构成的寄生二极管，因此即使FET处于关闭状态，也会形成经由电感器到FET的寄生二极管的电流路径，无法阻止电流流过。所以，无法通过电源IC的控制来控制短路电流，高边开关FET也可能会受损。　　3.背栅控制　　当高边开关为外置FET时，由于是垂直结构，因此一定会存在寄生二极管，从而无法防止寄生二极管形成的电流路径。但是，如果是电源IC中内置了FET开关元件的产品，所使用的FET为横向结构，因此可以通过对FET的背栅部分施加偏压来消除寄生二极管的影响。也有一些产品通过在该偏置电路中添加开关来实现背栅极控制，从而可以在必要时切断寄生二极管的电流。在这种情况下，当检测到输出短路时，将会使寄生二极管处于不导通状态，从而可以防止烧损问题。　　同步整流会设有死区时间，在此期间低边开关和高边开关都会关断，以防止低边开关和高边开关同时导通而发生输出短路问题。但当两个开关都关断时，电感输出侧会变为开路状态，由于反电动势的作用，会产生非常高的电压。为了防止这种高电压的产生，可以有效利用FET的寄生二极管，在死区时间内进行二极管整流，对于该整流工作来说，整流FET的寄生二极管是必需的。　　因此，在正常工作时，需要背栅的开/关控制，以使寄生二极管处于导通状态。另外，如果在检测到过电流状态的时间点，FET和背栅同时高速关断，则电感器会在有电流流过的状态下输出变为开路状态。当电感开路时，由于反电动势的作用会产生高电压，这种高电压可能会超过低边开关的耐压能力，导致低边开关因过电压损坏。即使寄生二极管关断，整流FET也需要进行在线性区域工作来控制电流、消耗电感器的能量后关断等控制。　　4.低边开关的限流工作　　当由于输出短路而流过过大电流时，输出电压会低于设定电压，因此负反馈控制系统会尝试通过打开低边开关来增加能量，以提高输出电压。低边开关具有限流功能，也就是可以通过检测流过开关的电流、当达到设定电流时关断开关来控制开关电流。然而，由于低边开关未导通的状态下没有电流流过，因此无法检测到输出短路导致的明显过电流状态。但是，低边开关会通过下一个时钟的开通信号来开通开关。由于电感器已经流过超过限流值的大电流，虽然在低边开关导通后会立即检测到明显的过电流情况，并会在最短时间内关断低边开关，但尽管时间很短，还是会流过脉冲状的过大电流。　　高达最大额定值数倍的脉冲状大电流会以每秒的开关频率次数反复流过，大电流造成的损害累积最终会导致低边开关也会损坏。也就是说，要想防止问题扩大，除了低边开关的限流功能外，还需要其他的保护功能。
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发布时间：2025-04-22 17:34 阅读量：374 继续阅读>>
SiC MOSFET<span style='color:red'>短路</span>特性以及<span style='color:red'>短路</span>保护方法
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SiC MOSFET短路特性以及短路保护方法

　　在光伏逆变器、车载充电器及牵引逆变器等应用领域中，由第三代半导体材料碳化硅(SiC)制成的SiC MOSFET正逐步替代由传统硅基(Si)制成的Si IGBT。这是因为碳化硅(SiC)材料相比传统硅(Si)材料具有更优越的物理特性，使得SiC MOSFET在高功率、高频率应用中表现更优，能显著提升设备效率并实现轻量化的系统设计。但SiC MOSFET和Si IGBT的器件特性存在差异——两者在短路故障时的短路耐受能力不同，这对保护电路的响应速度提出了更高要求。　　本文从SiC MOSFET的器件特性出发，分析其与Si IGBT在故障响应上的本质差异的原因，并提出针对性保护策略。最后结合纳芯微自主研发的栅极驱动技术，详细阐述去饱和检测的设计方法。　　1. SiC MOSFET短路特性介绍　　在电力电子的许多应用中，短路故障是常见的工况，这就要求功率器件具备短时耐受能力，即可以在一定的时间内承受短路电流而不发生损坏。Si IGBT 通常的短路能力为5-10μs，而SiC MOSFET的短路耐受时间普遍较短(一般为2μs左右)。　　Si IGBT与SiC MOSFET的短路能力的差异主要体现在以下两方面：　　1)在相同阻断电压和电流额定值的情况下，SiC材料具有较高的临界击穿场强，基于这一特性，SiC MOSFET的芯片面积相较于Si IGBT更小，能实现更高的电流密度，但这也导致发热更为集中。　　2)SiC MOSFET 与Si IGBT的输出特性存在差异。如图1.1所示，IGBT通常情况下在饱和区工作;当发生短路时，集电极电流IC迅速增加，从饱和区急剧转为线性区，且集电极电流不受VCE电压的影响，因此短路电流以及功耗增加会受到限制。而对于SiC MOSFET，如图1.2所示，它在正常工作期间处于欧姆区;当发生短路时，从欧姆区进入饱和区的拐点并不显著，且饱和区电流随VDE电压升高而增大，导致器件的电流以及功耗增加不受限制。因此SiC MOSFET的短路保护设计尤为重要。　　IGBT输出特性曲线：　　SiC MOSFET输出特性曲线：　　2. SiC MOSFET短路保护方法　　短路保护对于保证系统稳健运行以及充分发挥器件性能非常重要，合格的短路保护措施不仅能够快速响应并关断器件，还能有效避免误触发情况的发生。常见的短路保护方式分为电压检测和电流检测两种类型：电流检测通常借助分流电阻或者SenseFET的方式;电压检测采用退饱和保护，也就是DESAT保护。以下是对这三种短路保护方法的介绍，并阐明了各自的优缺点。　　2.1.分流电阻检测　　下图显示了一种常见的电流检测方案，在电源回路的MOSFET源极串联一个检测电阻ROC，当电流流过电阻ROC会产生一个电压VOC，如果检测得到的电压大于逻辑门电路的阈值电压VOCTH，则会产生一个短路信号OC Fault，与此同时驱动器关闭OUT输出。　　分流电阻检测电流的方案简单明了、易于理解，具备出色的通用性，可以在任何系统中灵活应用。为了保证检测信号的精准度，需要选择高精度电阻以及快速响应的ADC电路;同时为了防止保护信号误触发，需要在比较器前加入适当的滤波电路。该方案可以采用电阻电容以及比较器的分立元器件搭建实现，也可以选择集成OC保护功能的驱动IC芯片。　　针对PFC电路，可对电流检测电阻的位置进行调整，下图展示了一种负压阈值过流检测的方法。以Boost-PFC这类电路结构为例，在功率的返回路径中，电流检测电阻ROC检测得到的电压为负电压，当检测电压小于设置的阈值电压VOCTH时，保护信号将被触发，此时驱动器输出引脚会输出关断信号。　　这种方案的缺点在于电阻带来额外的功率损耗，在大功率系统中，大电流流过检测电阻会产生较大的功率损耗;而在小功率系统中，则需要更大的电阻来保持检测信号的准确性，这同样也会影响系统效率。同时，如图2.1所示的方案，检测电阻带来的压降对功率器件的栅-源极电压造成影响，此外，图2.2所示的方案还存在拓扑的局限性。　　2.2.带电流检测的功率器件　　如下图，有一种带Sense功能的功率器件，其中，SenseFET集成在功率模块内，与主器件并联。通过使用高精度的分流电阻，可对SenseFET的电流进行监测，如此一来，检测到的电流与器件电流同步。　　集成在功率模块内部的SenseFET，因寄生电感小，受到噪声的影响小。但是带SenseFET的电源模块存在明显劣势：一方面，其成本较高，会增加系统整体成本;另一方面，市场上这类器件的种类较少，可替代性较低。　　2.3.退饱和检测　　2.3.1.DESAT功能介绍　　退饱和检测的本质是电压检测，当器件发生短路时，器件漏极和源极两端的电压会异常升高，因此可以通过比较器件正常导通时和短路时的漏源极电压作为短路判断的依据。　　当器件开通且正常工作时，SiC器件两端的电压可能在1V左右，芯片内部集成的电流源IDESAT通过DESAT引脚，流经电阻RDESAT和高压二极管DDESAT至MOSFET的漏极，此时电容CBLANK两端的电压为SiC MOSFET漏源极压降、高压二极管DDESAT两端压降和电阻RDESAT两端压降之和。　　当短路发生时，SiC MOSFET的漏源极电压迅速上升，高压二极管DDESAT反偏，内部电流源IDESAT通过DESAT引脚给外部电容CBLANK充电;当电容CBLANK两端电压超过内部比较器的阈值电压VT(DESAT)，就会触发短路保护。
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发布时间：2025-04-07 14:51 阅读量：479 继续阅读>>
ROHM开发出实现业界超低损耗和超高<span style='color:red'>短路</span>耐受能力的1200V IGBT
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ROHM开发出实现业界超低损耗和超高短路耐受能力的1200V IGBT

　　全球知名半导体制造商ROHM(总部位于日本京都市)面向车载电动压缩机、HV加热器、工业设备用逆变器等应用，开发出符合汽车电子产品可靠性标准AEC-Q101*1、1200V耐压、实现了业界超低损耗和超高短路耐受能力*2的第4代IGBT*3。　　此次发售的产品包括4款分立封装的产品(TO-247-4L和TO-247N各2款)“RGA80TRX2HR/RGA80TRX2EHR/RGA80TSX2HR/RGA80TSX2EHR”和11款裸芯片产品“SG84xxWN”，预计未来将会进一步扩大产品阵容。　　近年来，汽车和工业设备朝高电压化方向发展，这就要求安装在车载电动压缩机、HV加热器和工业设备逆变器等应用中的功率元器件也能支持高电压。另一方面，为了实现无碳社会，从更节能、简化冷却机构、外壳的小型化等角度出发，对功率元器件的效率提升也提出了强烈的要求。另外，车载电子产品还需要符合车载产品可靠性标准。不仅如此，在逆变器和加热器电路中，还要求功率元器件在发生短路时能够切断电流，并且需要具有更高的短路耐受能力。在这种背景下，ROHM通过改进器件结构，并采用合适的封装形式，开发出支持高电压、并实现业界超低损耗和超高短路耐受能力的第4代IGBT新产品。　　第4代1200V IGBT通过改进包括外围结构在内的器件结构，不仅实现了高达1200V的耐压能力和符合车载电子产品标准的可靠性，还实现了10µsec.(Tj=25℃时)的业界超高短路耐受能力以及业界超低的开关损耗和导通损耗特性。另外，新产品采用4引脚TO-247-4L封装，通过确保引脚间的爬电距离*4，可在污染等级为2级的环境*5中支持1100V的有效电压，与以往产品相比，可支持更高电压的应用。由于爬电距离对策是在器件上实施的，因此也有助于减轻客户的设计负担。此外，TO-247-4L封装产品通过增加开尔文发射极引脚*6を追加するこ，还实现了高速开关和更低损耗。通过对TO-247-4L封装新产品、普通产品和以往产品在三相逆变器中的实际效率进行比较，证实新产品的损耗比普通产品低约24%，比以往产品低约35%，这将有助于实现应用产品的高效率驱动。　　新产品已经暂以月产100万个的规模投入量产(样品价格 1,500日元/个，不含税)。前道工序的生产基地为ROHM Co., Ltd.(日本滋贺工厂)，后道工序的生产基地为ROHM Integrated Systems (Thailand) Co., Ltd.(泰国)。另外，新产品已经开始通过电商进行销售，通过Ameya360等电商平台均可购买。　　未来，ROHM将会继续扩大更高性能IGBT的产品阵容，从而为汽车和工业设备应用的高效率驱动和小型化贡献力量。　　<产品阵容>　　分立产品　　裸芯片产品　　<应用示例>        ◇车载电动压缩机　　◇车载HV加热器(PTC加热器、冷却液加热器)　　◇工业设备逆变器　　<电商销售信息>       开始销售时间：2024年11月起　　网售平台：Ameya360等　　新产品在其他电商平台也将逐步发售。　　产品型号：RGA80TRX2HR、RGA80TRX2EHR、　　     RGA80TSX2HR、RGA80TSX2EHR　　<支持信息>       通过ROHM官网，可以下载包括通过仿真如实再现产品电气特性的SPICE模型在内的各种电路设计所需的资料：　　https://www.rohm.com.cn/products/igbt/field-stop-trench-igbt#parametricSearch　　<关于采用了RGA系列的赛米控丹佛斯功率半导体模块>      赛米控丹佛斯额定电流10A～150A的功率半导体模块“MiniSKiiP®”，采用了ROHM的1200V耐压IGBT“RGA系列”。如欲了解更多信息，请访问以下页面：　　https://www.rohm.com.cn/news-detail?news-title=2023-04-26_news_semikron&defaultGroupId=false　　<关于“EcoIGBT™”品牌>      EcoIGBT™是ROHM开发的非常适用于功率元器件领域对耐压能力要求高的应用的IGBT，是包括器件和模块在内的品牌名称。从晶圆生产到制造工艺、封装和品质管理方法，ROHM一直在自主开发功率元器件产品升级所必需的技术。另外，ROHM在制造过程中采用的是一贯制生产体系，已经确立了功率元器件领域先进企业的地位。　　・EcoIGBT™是ROHM Co., Ltd.的商标或注册商标。　　<术语解说>     *1) 汽车电子产品可靠性标准“AEC-Q101”　　AEC是Automotive Electronics Council的缩写，是大型汽车制造商和美国大型电子元器件制造商联手制定的汽车电子元器件的可靠性标准。Q101是适用于分立半导体元器件(晶体管、二极管等)的标准。　　*2) 短路耐受能力　　当负载等短路时，功率元器件能够承受而不至于损坏的时间。　　*3) IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)　　同时具有MOSFET的高速开关特性和双极晶体管的低导通损耗特性的功率晶体管。　　*4) 爬电距离　　两个导体之间沿绝缘表面测得的最短距离。　　在半导体设计中，为了防止触电、漏电、半导体产品短路，需要采取确保爬电距离和电气间隙的绝缘对策。　　*5) 污染等级2级的环境　　污染等级2级相当于家庭和办公室等常见的环境，即仅存在干燥的非导电污染物的状态。　　污染等级是确定元器件的电气间隙和爬电距离时会产生影响的环境等级，根据污染物质的有无、数量和状态分为1～4级。　　*6) 开尔文发射极引脚　　测量电压专用的发射极引脚。通过使流过电流的发射极引脚分离，可以将电流流过时电压压降的影响降至更低，从而实现高速且稳定的开关。　　注)“MiniSKiiP®”是赛米控丹佛斯的商标或注册商标。
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发布时间：2024-11-07 17:05 阅读量：715 继续阅读>>

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