Короткое замыкание типа I (SC1) в SiC MOSFET: объяснение и моделирование

В данной статье рассматривается короткое замыкание типа I (SC1), его особенности и пример моделирования в среде SIMetrix.

При анализе работы силовых транзисторов  выделяют два основных типа короткого замыкания: SC1 и SC2. В случае SC1 короткое замыкание возникает в системе до включения транзистора, то есть прибор включается непосредственно в аварийные условия. В отличие от него SC2 характеризуется тем, что короткое замыкание в системе происходит уже после того, как транзистор перешел в проводящее состояние. Именно SC1 считается более тяжелым режимом, поскольку отсутствует переход через нормальный режим работы, и ток начинает резко нарастать сразу после подачи управляющего сигнала.

Для анализа SC1 обычно используется полумостовая схема, представленная на рисунке 1, где  нижний транзистор выступает в роли испытуемого устройства (DUT) и управляется коротким импульсом, тогда как верхний ключ фактически закорочен проводником с минимальным сопротивлением.

Современные SiC MOSFET, например Infineon CoolSiC 1200 В GEN2, обладают ограниченной стойкостью к короткому замыканию. Типичное значение допустимого времени составляет около 2 мкс при напряжении затвора 15 В и напряжении питания до 800 В. Это означает, что система управления должна обнаружить аварийный режим и отключить транзистор в пределах этого интервала, иначе возможен тепловой пробой кристалла.

Для анализа поведения SiC MOSFET в режиме SC1 рассмотрим моделирование транзистора IMBG120R022M3H в среде SIMetrix. Схема моделирования представлена на рисунке 3.

В ней верхний ключ постоянно находится в выключенном состоянии за счет замыкания затвора и истока, а также присутствует паразитная индуктивность порядка 20 нГн .

Управление нижним транзистором осуществляется через драйвер 1ED3321MC12N, оснащенный защитой DESAT, позволяющей своевременно отключить устройство при возникновении сверхтока.

Процесс моделирования включает три последовательных этапа:

• в начальный момент на схему подается напряжение 800 В, при этом драйвер удерживает транзистор в закрытом состоянии;
• далее на вход INP подается управляющий импульс 15 В, что приводит к включению транзистора. Практически сразу после включения возникает режим короткого замыкания, и ток начинает резко возрастать; 
• срабатывает защита DESAT, которая формирует сигнал отключения, и драйвер переводит транзистор в закрытое состояние, предотвращая его разрушение.

Результаты моделирования приведены на рисунке 4. На осциллограммах представлены изменения напряжения затвор-исток (VGS), напряжения сток-исток (VDS) и тока стока (ID). В момент включения транзистора наблюдается мгновенное возникновение короткого замыкания, при котором ток резко возрастает, минуя режим насыщения и сразу переходя в режим перенасыщения. Одновременно фиксируется падение напряжения VDS, связанное с влиянием паразитной индуктивности в силовой цепи.

Падение напряжения на паразитной индуктивности описывается выражением VL =L*di/dt, что приводит к зависимости напряжения сток-исток от скорости нарастания тока. В результате VDS можно представить как VDS = Vbus - L*di/dt, из чего следует, что увеличение индуктивности приводит к более выраженному падению напряжения на транзисторе.

При моделировании с различными значениями паразитной индуктивности от 10 до 50 нГн (с шагом 10 нГн), показанном на рисунке 5, видно, что увеличение индуктивности усиливает падение напряжения и изменяет динамику переходного процесса.

После достижения максимального значения ток в транзисторе начинает снижаться. Это связано с переходными процессами в полупроводниковой структуре, тепловыми эффектами и работой защитных механизмов драйвера. Данный участок особенно важен для анализа надежности, поскольку именно по этой характеристике  определяется способность системы предотвратить тепловой пробой.

Режим короткого замыкания типа I (SC1) является одним из наиболее критичных для SiC MOSFET, поскольку транзистор включается непосредственно в аварийные условия, что приводит к резкому росту тока и высокой тепловой нагрузке. Моделирование показывает, что ключевыми факторами, влияющими на поведение прибора, являются время реакции защиты и величина паразитной индуктивности силовой цепи.

Для надежной работы силовых преобразователей необходимо строго учитывать допустимое время короткого замыкания, использовать быстродействующие схемы защиты, такие как DESAT, и минимизировать паразитные параметры монтажа. При соблюдении этих условий SiC MOSFET обеспечивает высокую эффективность и надежность даже в аварийных режимах работы.

Источник статьи:https://community.infineon.com/t5/Knowledge-Base-Articles/Explanation-of-Short-Circuit-Type-I-of-SiC-MOSFET/ta-p/1027837

Статью перевели и адаптировали: Корпорация АйПи