單純的考慮IDM電流沒(méi)有意義，而是考慮最大漏極電流的持續(xù)時(shí)間。IDM和實(shí)際的應(yīng)用最相關(guān)的狀態(tài)就是系統(tǒng)發(fā)生短路，例如在電機(jī)控制應(yīng)用 中，在一些惡劣條件下，由于機(jī)械的摩擦或碰觸，繞組油漆局部剝落，那么電機(jī)的繞組之間、以及繞組和外殼之間會(huì)產(chǎn)生短路。電機(jī)的繞組之間產(chǎn)生短路如圖1示，當(dāng)某二相繞組，如A相和B相繞繞短路時(shí)，正常控制的時(shí)序開(kāi)關(guān)信號(hào)將Q1/Q4開(kāi)通時(shí)，Q1/Q4就會(huì)將直流母線電壓直接短線到地，產(chǎn)生很大的電流：
L· di/dt=Vin
L：為短路回路的雜散電感，VIN：為輸入母線電壓。L越小，VIN越大，短路時(shí)間越長(zhǎng)，短路的電流越大。
圖1：電機(jī)控制原理圖
如果要保證系統(tǒng)的安全，需要二個(gè)條件：
（1）短路保護(hù)的時(shí)間要快。
（2）功率MOSFET可以在一定的時(shí)間內(nèi)承受大的沖擊電流。
熟悉
IGBT的工程師大多知道在電機(jī)控制應(yīng)用中，IGBT專(zhuān)門(mén)有一個(gè)參數(shù)TSC來(lái)評(píng)估這個(gè)性能。對(duì)于MOSFET原理也是一樣，可以在一定的時(shí)間內(nèi)承受的沖擊電流來(lái)評(píng)估這個(gè)性能，指MOSFET的柵極開(kāi)通時(shí)，在發(fā)生過(guò)熱損壞前，給定的一段時(shí)間內(nèi)，所承受的最大電流和最大電壓。由于同時(shí)施加高壓和大電流，MOSFET內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱，若脈沖的寬度大于一定的值，器件在關(guān)斷過(guò)程中就會(huì)發(fā)生損壞。
當(dāng)功率脈沖的寬度小于100us時(shí)，由于脈沖寬度太短，器件產(chǎn)生熱量沒(méi)有足夠的時(shí)間傳送到
PCB或散熱器，器件內(nèi)部維持相當(dāng)大的瞬態(tài)功耗，這一點(diǎn)對(duì)于短路保護(hù)的設(shè)計(jì)非常重要。短路維持時(shí)間的測(cè)量如圖2所示，峰值漏極電流和持續(xù)時(shí)間由柵極脈沖電壓的幅值和寬度來(lái)控制。在測(cè)量的過(guò)程中要控制所加的電源電壓，保證在短路關(guān)斷過(guò)程中，VDS尖峰電壓不要超過(guò)器件最大的耐壓值。
圖2：短路維持時(shí)間測(cè)量
AO4400的測(cè)試結(jié)果如圖3所示，在短路脈沖的測(cè)試中，由于電源的ESR的影響，VDS稍微有一些下降，由于回路寄生電感的影響，電流上升的斜率變慢。峰值電流隨著器件結(jié)溫的快速升高而降低。如果在這個(gè)大電流下，器件可以可靠的關(guān)斷，那么器件就在安全范圍內(nèi)。如果脈沖的時(shí)間變長(zhǎng)，那么器件將不能可靠的關(guān)斷而發(fā)生損壞。
測(cè)量都在室溫下進(jìn)行，使用單脈沖，器件放在對(duì)應(yīng)的座套內(nèi)，沒(méi)有安裝在1平方英寸的PCB上。脈沖寬度增加前，峰值電流能力隨初始結(jié)盟溫的增加而降低，這表明在系統(tǒng)中實(shí)際的工作溫度下，用戶(hù)必須對(duì)峰值功率曲線進(jìn)一步的降額。器件安裝在PCB上，當(dāng)脈沖寬度大于100us時(shí)，器件產(chǎn)生的熱量部分的可以通過(guò)銅皮散掉，峰值電流能力增加。
測(cè)量條件是單脈沖，如果使用多脈沖，在下一個(gè)脈沖加到器件時(shí)，上一個(gè)脈沖產(chǎn)生的熱量要能夠耗散掉，否則由于熱量積累增加器件結(jié)溫，器件短路能力將降低。通常在短的脈沖時(shí)間內(nèi)，小于<100us時(shí)，器件允許結(jié)溫可接近于TJ=150C，但實(shí)際應(yīng)用中要做一定的降額。
圖3：AO4400的測(cè)試結(jié)果
圖3示出了AO4400漏極峰值電流和脈沖寬度對(duì)應(yīng)曲線，結(jié)果表明：VGS=5V，峰值電流60A，器件可以在持續(xù)35us安全關(guān)斷。VGS=8V，峰值電流150A，器件可以在持續(xù)18us安全關(guān)斷。VGS=10V，峰值電流150A，器件可安全關(guān)斷持續(xù)時(shí)間更短。
圖4：AO4400電壓,峰值電流和脈沖寬度
在不同的柵級(jí)電壓下測(cè)量短路電流，測(cè)試波形如圖5所示，采用的功率MOSFET為AOT266。VGS電壓為13V，短路電流達(dá)1000A，MOSFET在經(jīng)過(guò)47us后電流失控而損壞；VGS電壓為8V，短路電流僅為500A，MOSFET在經(jīng)過(guò)68us后電流失控而損壞。電流測(cè)試使用了20:1的電流互感器，電流為200A/格。
圖5：AOT266短路測(cè)試波形
在系統(tǒng)控制器的柵驅(qū)動(dòng)電壓下，測(cè)試短路時(shí)最大漏極電流的持續(xù)時(shí)間，如圖6，測(cè)試的器件BVDSS為100V，VGS=10V，TA=25C，器件的短路電流范圍為200-320A，在短路關(guān)斷過(guò)程中的尖峰電壓不要超過(guò)最大的100V耐壓。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，使系統(tǒng)短路保護(hù)時(shí)間小于1/3-1/2的上述的持續(xù)時(shí)間，圖中紅色的區(qū)域，這樣才能使系統(tǒng)可靠。
圖5：短路保護(hù)時(shí)間設(shè)定
事實(shí)上，對(duì)于大電流，在導(dǎo)通狀態(tài)下或關(guān)斷的過(guò)程，由于芯片內(nèi)部的不平衡或其它一些原因，即使芯片沒(méi)有超過(guò)結(jié)溫，也會(huì)產(chǎn)生損壞。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中，要盡量的使短路保護(hù)的時(shí)間短，以減小系統(tǒng)短路最大沖擊電流的沖擊。具體方法就是減小短路保護(hù)回路的延時(shí)和中斷響應(yīng)的時(shí)間等。
到這里已經(jīng)介紹完功率MOSFET的電流定義，有什么問(wèn)題歡迎大家留言。
發(fā)表于 2016-9-13 14:13:07
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