В МОП-транзисторах из SiC используется метод быстрого отключения для защиты от короткого замыкания

Обеспечение безопасной работы при любых условиях короткого замыкания является более сложной задачей при использовании МОП-транзисторов из SiC по сравнению с их аналогами БТИЗ.

В драйверы затворов часто встроены механизмы защиты от короткого замыкания, разработанные в первую очередь для технологии биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ). Однако более высокие частоты переключения полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной создают трудности с эффективной защитой этих устройств питания от возникновения короткого замыкания. Для полупроводниковых МОП-транзисторов необходимо уменьшить задержку в цепях защиты.

В данной статье представлен усовершенствованный метод плавного отключения, который обсуждался на международной выставке PCIM Europe 2024.

Причина короткого замыкания

Сбои в работе систем преобразования энергии могут быть вызваны различными причинами, включая манипуляции с кабелями, сбои в нагрузке, старение изоляционных материалов, поломки компонентов и ошибки проектирования. В системах электроснабжения могут использоваться различные механизмы защиты для повышения их надежности.

Спровоцированное нагрузкой короткое замыкание с высокой индуктивностью часто контролируется с помощью ограничения тока и пороговых напряжений, установленных в программном обеспечении. С другой стороны, для коротких замыканий с низкой индуктивностью требуется аппаратная защита, включенная в платы управления затвором.

Средства защиты, реализованные в драйверах затвора, предназначены для предотвращения повреждения защищаемого устройства в случае резкого увеличения тока утечки. В этом случае устройство блокируется на разомкнутую цепь, и на блок управления обычно поступает сигнал о неисправности.

Силовые устройства из SiC снижают свое сопротивление в состоянии «включено» (RDS(on)) для улучшения характеристик проводимости. Поскольку низкий уровень RDS(on) связан с потенциальной мощностью короткого замыкания, которое ниже, чем у БТИЗ, ожидается, что безопасность устройств из SiC будет повышена во время короткого замыкания.

Традиционные средства защиты от короткого замыкания

Драйверы затвора обычно включают в себя два типа функций защиты от избыточного тока:

• Обнаружение короткого замыкания (т.е. функция защиты по напряжению насыщения)

• Реагирование на сбой (т.е. плавное отключение или двухуровневое отключение)

Схема обнаружения может идентифицировать аномальную работу, характеризующуюся быстрым повышением тока утечки во время фазы подключения. После выявления неисправности необходимо использовать соответствующий механизм для прекращения подачи тока утечки до того, как схема будет повреждена. Этого можно достичь с помощью таких методов, как плавное отключение, безопасное отключение или двухуровневое отключение.

Схемы обнаружения и реагирования приводят к задержкам из-за их работы и выбранных компонентов. Время, необходимое для устранения короткого замыкания, можно рассчитать, добавив:

• Время отключения: настраиваемый параметр, обычно находящийся в диапазоне 0,5–5 мкс

• Задержка обнаружения: задержка, обусловленная зарядом емкости и задержками распространения сигнала в компонентах схемы обнаружения короткого замыкания (около 200-500 нс).

• Время срабатывания: количество времени, необходимое для отключения и сброса тока утечки без повреждения после обнаружения короткого замыкания в приводе затвора

Короткие замыкания также могут быть классифицированы по следующим категориям:

• Короткое замыкание с низкой индуктивностью (Тип I), которое требует максимально быстрой реакции оборудования без каких-либо задержек в контуре управления

• Короткое замыкание с низкой индуктивностью во время передачи (Тип II)

• Короткое замыкание с высокой индуктивностью/перегрузка, которая обычно устраняется на уровне управления, реализована в программном обеспечении с ограничением тока и не требует времени реакции в течение микросекунды 

Далее речь пойдет о цепях защиты платы драйвера затвора от короткого замыкания с низкой индуктивностью.

Обнаружение короткого замыкания

Для обнаружения короткого замыкания в приводах затвора во время фазы проводимости обычно используется метод защиты по напряжению насыщения.

Диод защиты по напряжению насыщения используется для защиты схемы датчика от разрядки при его отключении. Во время подключения устройства, при возникновении короткого замыкания, напряжение на конденсаторе защиты повышается по сравнению с напряжением падения на устройстве в активированном проводящем состоянии (VDS(on)) устройства питания, до тех пор, пока оно не достигнет заданного порогового значения, обычно нескольких вольт.

Во избежание ложного обнаружения короткого замыкания, применяется интервал гасящего импульса, в течение которого обнаружение временно отключается. Обычно этот промежуток времени составляет около 2-5 мкс для биполярных транзисторов с изолированным затвором и 1 мкс для МОП-транзисторов из SiC, в зависимости от конкретного устройства.

Другой метод обнаружения заключается в использовании встроенных датчиков с катушками Роговского, что позволяет свести к минимуму задержку обнаружения до 200 нс. Катушки Роговского измеряют напряжение, генерируемое магнитным полем, которое меняется со временем. Это напряжение прямо пропорционально скорости изменения тока. Однако необходим дополнительный интегратор, а катушка чувствительна к воздействию внешнего магнитного поля, что может снизить точность. Конструкция катушки Роговского, реализованная с использованием блока программного управления, может служить экономичным вариантом обнаружения коротких замыканий.

Реагирование на короткое замыкание

Реагирование на короткое замыкание в схемах защиты от перегрузки по току достигается за счет более медленного отключения, реализуемого изменением полного электрического сопротивления затвора. 

Двухуровневое отключение более широко применяется для защиты МОП-транзисторов из SiC. Этот метод снижает перенапряжение за счет многоступенчатого напряжения на затворе в процессе отключения. Снижение напряжения на затворе приводит к уменьшению тока насыщения, следовательно, ограничивая ток в течение периода реагирования на короткое замыкание. Целью по-прежнему остается обеспечение того, чтобы VDS оставался ниже собственного напряжения пробоя, например, 1200 В.

Хотя традиционные методы защиты все еще могут использоваться, с МОП-транзисторами из SiC обеспечить безопасную работу в любых условиях короткого замыкания сложнее, чем с их аналогами БТИЗ, поскольку первые работают быстрее и менее устойчивы.

Схема плавного отключения

Принцип плавного отключения предполагает кратковременную задержку (например, tзадержки = 20 нс) между запросом на выключение и активацией плавного отключения после обнаружения короткого замыкания.

Емкость затвора устройства из SiC (Cgs) быстро разряжается перед фактическим отключением на плато Миллера. Для этого Rssd подключается в оптимальный момент, что обеспечивает быструю реакцию на короткое замыкание и снижение перенапряжения. Cgs быстро разряжается в результате того, что штатное сопротивление затвора отключения остается подключенным в течение интервала задержки.

Определение характеристик необходимо для точного определения оптимальной задержки, учитывая, что режим плавного отключения следует активировать при достижении порогового напряжения отключения (Vth). В противном случае возникает дополнительное перенапряжение.

Если введенная задержка слишком мала, результат будет напоминать стандартную кривую плавного отключения. И наоборот, если задержка слишком велика, то будет наблюдаться максимальное перенапряжение. Моделирование также показывает, что на этот результат, как правило, не влияет паразитная индуктивность сверхпроводника.

Результаты моделирования и экспериментов

Моделирование проводилось с использованием модели SPICE для силового модуля CAS350M12BM3 третьего поколения от Wolfspeed. Биполярный вентильный буфер был смоделирован с использованием классов моделей SPICE NPN и PNP с коэффициентами усиления по току 140 и 90 соответственно. Эти коэффициенты усиления по току соответствуют компонентам STN851 и STN951, использованным в моделировании.

Полное электрическое сопротивление затвора при коротком замыкании (Lsc) можно регулировать для воспроизведения различных сценариев, таких как короткое замыкание с полумостом и наименьшим сопротивлением (около 10 нМ) или короткое замыкание с нагрузкой и максимальным сопротивлением.

Моделирование с помощью SPICE подтверждает наличие оптимальной задержки для определенного устройства из SiC и соответствующего ему драйвера затвора. В выбранных конфигурациях этот период составляет около 10-20 нс. Исходя из расчетов, предлагаемый подход плавного отключения может снизить энергопотребление при безопасном отключении на 20% и снизить перенапряжение на 4% во время короткого замыкания.

Экспериментальные результаты показывают заметное сокращение времени реагирования на 52% при сохранении того же значения Rssd и крутизны переключения. Предполагается, что при коротком замыкании полное сопротивление 30-сантиметрового кабеля, используемого для подключения устройства, составит 650 Н*ч, принимая во внимание скорость увеличения тока.

В этих условиях обычное отключение, при котором отсутствует схема реагирования, приводит к перенапряжению VDS на 850 В, в то время как функция безопасного отключения ограничивает его до 720 В (ΔVDS = -42%) для работы при напряжении 540 В постоянного тока. Более сильное превышение, вызванное коротким замыканием с более низким сопротивлением, может привести к пробою напряжения в устройстве из SiC. Калибровка Rssd может ограничить результирующее перенапряжение; однако она также может увеличить энергию отключения во время срабатывания защиты для блокировки короткого замыкания.

Предлагаемое решение основано на быстром разряде стандартного выключателя и сопротивлении Rssd, которое подключается к буферу затвора в процессе переключения.

Этот метод позволяет ограничить перерасход энергии от источника питания и к источнику питания и уменьшить количество энергии, рассеиваемой в устройстве питания из SiC. Как и в случае с обычными твердотельными накопителями, время отключения и значение Rssd регулируются. Значение Rssd соответствует равновесию между допустимым перенапряжением и энергией безопасного отключения/временем реакции, в то время как время отключения отражает компромисс между безопасностью и надежностью.