MOSFET的三重防護（3）

來源：御用小威的后花園

OK，還剩MOSFET的最后一重防護，就是在DS之間加TVS做保護，對應的就是下圖TVS3的位置。

主要作用有兩個：

1. 在MOSFET關斷時對Vds電壓進行鉗位，防止Vds電壓超標而壞MOSFET。

2. 吸收MOSFET關斷時電感所產(chǎn)生的能量。

因為通常MOSFET的DS之間需要承受高電壓Vds和大電流Ids，所以TVS3這個位置通常需要大功率的TVS。Littelfuse的5000W TVS：5.0SMDJ系列Littelfuse-TVS-Diode-5-0SMDJ-Datasheet.pdf；以及8000W TVS：8.0SMDJ系列Littelfuse-TVS-Diode-8-0SMDJ-Datasheet.pdf都是比較常見的選擇。但是，大功率的TVS很難做到較高的電壓（一般為100V左右），所以基本都需要用串聯(lián)的方式來滿足高電壓的需求。

那有沒有單顆TVS既能滿足高電壓又能滿足大功率的需求呢？Of course！Littelfuse的AK系列TVS就是這樣一款兩全其美的產(chǎn)品。下面我會以固態(tài)斷路器（SSCB）為例，來看看AK系列TVS在實際應用中的表現(xiàn)到底如何？

得益于近幾年國內(nèi)外SiC MOSFET的高速發(fā)展，用固態(tài)斷路器（SSCB）來取代傳統(tǒng)機械式斷路器正越來越成為一種趨勢，其核心就是用SiC MOSFET來取代傳統(tǒng)的機械開關，控制電路的導通和斷開。SSCB最重要的功能是在檢測到電路異常、過載、短路時能夠快速安全地切斷電路，以避免造成災難性的后果。其大致的工作原理如下圖：

這里以負載對地短路故障為例。SSCB檢測到短路，迅速斷開SiC MOSFET以保護電路。而TVS要做的就是吸收Lline的能量并把Vds鉗位在一個安全的電壓以內(nèi)。

下圖是整個短路保護過程的波形圖，讓我們一起來分析一下。

1. 正常工作時，負載電流流經(jīng)SiC MOSFET，因此Ids=Idc，SiC MOSFET兩端電壓Vds=Idsx Rds(on)非常低。

2. 短路故障發(fā)生時，SiC MOSFET的電流Ids從Idc上升到Ith，此時SiC MOSFET兩端的電壓Vds保持不變。

3. 當Ids上升到Ith時，系統(tǒng)檢測到短路故障發(fā)生，經(jīng)過很短的響應時間后Ids上升到Ipk，系統(tǒng)關斷SiC MOSFET。此時Vds依舊保持不變。

4. 此時SiC MOSFET已關斷，Iline只能流過TVS, 因此Lline中的能量只能通過TVS來吸收。TVS產(chǎn)生的鉗位電壓Vcl=Vpk，ITVS電流從Ipk一直下降到0結束。

5. 整個短路關斷過程結束，SiC MOSFET和TVS均沒有電流流過，兩端電壓均為系統(tǒng)電壓Vdc。

從整個過程來看，TVS需要吸收的的能量是第4階段產(chǎn)生的。

來假設一個例子，實操一下看看。

Vdc=400V

Idc=16A

Ipk=3000A（短路時候的di/dt非常大，假設為100A/us，響應時間30us，Ipk=100x30=3000A）

Lline=5uH

Vpk<600V（假設選擇Vds=650V的SiC MOSFET，考慮一些設計余量，要求Vpk<600V）根據(jù)以上條件，我們可以初步選擇Littelfuse的大功率TVS-AK3-380C-Y

從鉗位電壓Vcl的角度來看是能滿足要求的，可以保證SiC MOSFET不會因為過高的Vds電壓而損壞。

接著需要驗證一下，能量是否能安全地被TVS吸收？

E(Lline) = 1/2 x Lline x Ipk^2 = 0.5 x 5uH x 3000 x 3000 = 22.5J

這22.5J是Lline中存儲的能量。

再計算一下TVS能夠吸收的能量。公式如下，做個excel表格算一下。

計算過程稍微有點復雜，大致就是把8/20us波形分成上升沿的8us和下降沿的20us兩部分來分別計算，兩部分所取的波形系數(shù)K有所不同，其余參數(shù)Vcl、Ipp、tp等把已知參數(shù)帶入即可。

結果：E(TVS) = 49.92J > E(Lline) = 22.5J，能夠滿足要求。

OK，既然上述要求都能滿足，那AK3-380C-Y應該是一個比較合理的選擇。剩下的就是通過實際測試來驗證了。

最后補充一點，Littelfuse除了是大家所熟知的保護類器件全球領先的供應商，在功率器件方面，隨著對IXYS收購的完成，也開始大力發(fā)展以SiC為主的第三代寬禁帶半導體。針對上文中的SSCB應用，目前可以提供650V系列的SiC MOSFET產(chǎn)品矩陣，其超低的導通電阻Rdson非常適合該應用場景，后續(xù)1200V系列的SiC MOSFET也已推出部分產(chǎn)品，可提供更低的Rdson，進一步降低導通損耗，提升系統(tǒng)效率。部分產(chǎn)品如下表：