脉冲漏极电流IDM及短路保护

只看该作者 · 2016-8-24 15:48

前面讨论过，单纯的考虑IDM电流没有意义，而是考虑最大漏极电流的持续时间。IDM和实际的应用最相关的状态就是系统发生短路，例如在电机控制应用中，在一些恶劣条件下，由于机械的摩擦或碰触，绕组油漆局部剥落，那么电机的绕组之间、以及绕组和外壳之间会产生短路。电机的绕组之间产生短路如图1示，当某二相绕组，如A相和B相绕绕短路时，正常控制的时序开关信号将Q1/Q4开通时，Q1/Q4就会将直流母线电压直接短线到地，产生很大的电流：

L· di/dt=Vin

L：为短路回路的杂散电感，VIN：为输入母线电压。L越小，VIN越大，短路时间越长，短路的电流越大。

图1：电机控制原理图

如果要保证系统的安全，需要二个条件：

（1）短路保护的时间要快。

（2）功率MOSFET可以在一定的时间内承受大的冲击电流。

熟悉IGBT的工程师大多知道在电机控制应用中，IGBT专门有一个参数TSC来评估这个性能。对于MOSFET原理也是一样，可以在一定的时间内承受的冲击电流来评估这个性能，指MOSFET的栅极开通时，在发生过热损坏前，给定的一段时间内，所承受的最大电流和最大电压。由于同时施加高压和大电流，MOSFET内部产生大量的热，若脉冲的宽度大于一定的值，器件在关断过程中就会发生损坏。

当功率脉冲的宽度小于100us时，由于脉冲宽度太短，器件产生热量没有足够的时间传送到PCB或散热器，器件内部维持相当大的瞬态功耗，这一点对于短路保护的设计非常重要。短路维持时间的测量如图2所示，峰值漏极电流和持续时间由栅极脉冲电压的幅值和宽度来控制。在测量的过程中要控制所加的电源电压，保证在短路关断过程中，VDS尖峰电压不要超过器件最大的耐压值。

图2：短路维持时间测量

AO4400的测试结果如图3所示，在短路脉冲的测试中，由于电源的ESR的影响，VDS稍微有一些下降，由于回路寄生电感的影响，电流上升的斜率变慢。峰值电流随着器件结温的快速升高而降低。如果在这个大电流下，器件可以可靠的关断，那么器件就在安全范围内。如果脉冲的时间变长，那么器件将不能可靠的关断而发生损坏。

测量都在室温下进行，使用单脉冲，器件放在对应的座套内，没有安装在1平方英寸的PCB上。脉冲宽度增加前，峰值电流能力随初始结盟温的增加而降低，这表明在系统中实际的工作温度下，用户必须对峰值功率曲线进一步的降额。器件安装在PCB上，当脉冲宽度大于100us时，器件产生的热量部分的可以通过铜皮散掉，峰值电流能力增加。

测量条件是单脉冲，如果使用多脉冲，在下一个脉冲加到器件时，上一个脉冲产生的热量要能够耗散掉，否则由于热量积累增加器件结温，器件短路能力将降低。通常在短的脉冲时间内，小于<100us时，器件允许结温可接近于TJ=150C，但实际应用中要做一定的降额。

图3：AO4400的测试结果

图3示出了AO4400漏极峰值电流和脉冲宽度对应曲线，结果表明：VGS=5V，峰值电流60A，器件可以在持续35us安全关断。VGS=8V，峰值电流150A，器件可以在持续18us安全关断。VGS=10V，峰值电流150A，器件可安全关断持续时间更短。

图4：AO4400电压,峰值电流和脉冲宽度

在不同的栅级电压下测量短路电流，测试波形如图5所示，采用的功率MOSFET为AOT266。VGS电压为13V，短路电流达1000A，MOSFET在经过47us后电流失控而损坏；VGS电压为8V，短路电流仅为500A，MOSFET在经过68us后电流失控而损坏。电流测试使用了20:1的电流互感器，电流为200A/格。

图5：AOT266短路测试波形

在系统控制器的栅驱动电压下，测试短路时最大漏极电流的持续时间，如图6，测试的器件BVDSS为100V，VGS=10V，TA=25C，器件的短路电流范围为200-320A，在短路关断过程中的尖峰电压不要超过最大的100V耐压。在设计过程中，使系统短路保护时间小于1/3-1/2的上述的持续时间，图中红色的区域，这样才能使系统可靠。