创新非对称瞬态电压抑制二极管在SiC MOSFET门保护中的应用

保护半导体设备和电子设备是任何稳健的电源管理和电路设计的关键。在本文中，我们将重点介绍非对称瞬态电压抑制(TVS)二极管系列，这些二极管非常适合用于硅碳化物(SiC)MOSFET的门保护。

瞬态保护设备

瞬态尖峰可以由雷电、附近的机械设备、电源负载切换等引起。一个例子是现代汽车，其中越来越多的车载电子设备连接到电池和发电机。发电机的输出可能不稳定，例如在电池断开或启动汽车时。

这种负载冲击可能超过一百伏，损坏12V或24V电压轨上的电子设备。在电动汽车(EV)中，牵引逆变器和车载充电器可以由更高效的SiC设备驱动。这些设备在其门输入端需要保护，以防止负载切换引起的瞬态。

保护设备可以串联连接，例如保险丝，或与被保护的敏感电路并联连接。串联连接的设备通常适用于较长时间的冲击，而并联保护设备则用于高电流和短时间的冲击，这种情况更为常见。

在并联保护设备的分组中，有几种选项可供选择。部分选项见于表1。

表1

并联保护设备的基本原理是在达到某个电压水平后开启，并在打开后将电压钳制在此水平上，使得所有电流在冲击瞬态事件结束之前都通过它。任何并联连接的瞬态保护设备都应具备以下基本要求：

低电容：在正常工作期间，保护设备不应影响电信号传输到被保护电路的能力。保护设备的电容与其输入端的任何串联电阻形成一个低通滤波器。这可能会降低信号质量，特别是在高开关频率应用中。在这种情况下，低电容保护设备是一个重要要求。

低漏电：在正常工作下，任何来自并联连接设备的漏电都会增加净待机功耗。这在电池供电系统中是一个重要考虑因素。

单向与双向保护：例如，当信号在名义上始终为正时，可以使用单向保护设备，以防止任何负脉冲。而双向设备可以在两个方向上提供保护，但在保护级别上可能存在权衡，这取决于正常工作所需的电压范围。

快速响应：根据应用，可能需要小于1.0纳秒的响应时间。这个时间也强烈依赖于外部寄生电感，例如由走线长度引起的电感。此时，重要因素是穿透电压，即在完全钳制之前负载上看到的瞬态部分。

击穿、电压钳制和动态电阻：工作电压是在正常操作范围内。击穿电压(Vbr)或保护设备开启的电压需要略高于此工作电压。一旦设备开启，电流流动与其通过动态电阻(Rdyn)的内部电压降有关。钳制电压(Vclamp)在峰值额定脉冲电流(Ipp)下如下面的方程所示：

Vclamp = Vbr + Ipp × Rdyn

因此，低Rdyn确保在冲击期间钳制电压接近Vbr。Vclamp需要低于被保护设备或负载的最大冲击电压额定值。Vbr的温度响应也是一个重要考虑因素，以确保在整个工作温度范围内的安全操作。

重复冲击能力和故障模式：在重复冲击下的可靠性可能是一个重要的安全考虑。在许多情况下，保护设备的温度上升可能是限制因素。因此，冲击脉冲之间的时间，以及保护设备的散热，都是需要考虑的重要因素。这些设备的首选故障模式是短路故障，因为这可以保护下游组件。

TVS二极管在2 – 250 A Ipp保护中得到广泛应用，因为它们在性能、可靠性和成本之间提供了最佳的折衷方案。工作在击穿时通过载流子隧穿物理原理的齐纳二极管用于较低电压和较低功率额定。基于雪崩击穿的TVS二极管在更高功率水平上被广泛使用。这些通常具有正温度系数的Vbr。齐纳二极管和TVS二极管之间的一个重要区别在于TVS二极管采用了更坚固的后端封装，以及更大的芯片尺寸，旨在提高更高功率额定下的可靠性和散热性能。

用于SiC门保护的非对称TVS二极管

Littelfuse最近推出了其新系列的非对称TVS二极管。这些双向TVS二极管具有不同的正向和反向Vbr及Vclamp额定，旨在用于SiC MOSFET设备的门保护。以英飞凌科技的1200V SiC MOSFET AIMCQ120R040M1T的数据表为例。该设备在电动汽车电源转换中的潜在应用，最大静态门电压(VGS)额定为-5V / +23V。

在许多情况下，负VGS用于完全关闭设备，以最小化由于在硬切换条件下排水节点切换引起的寄生开启风险，并减少开关损失。通过控制VGS保持在最大额定值之内，可以改善SiC MOSFET，特别是其门氧化物的可靠性和性能，阈值电压的稳定性以及在循环过程中的导通状态电阻漂移。

因此，保护SiC MOSFET的门节点不受电压瞬态的过度应力对于确保其在预期系统寿命中的可靠性至关重要。在上述例子中，VGS在-4V和+18V之间的操作可以提供一个舒适的保护带。这可以通过使用在绝对电压水平刚好高于此处时开启的保护设备来确保。

图1

多个齐纳/TVS二极管已用于SiC MOSFET所需的非对称门保护。新的TPSMBxx05系列TVS二极管可以用单个组件解决方案替代这些设备。图1显示了二极管实施的基本原理图。

图2描述了该新系列的一些电气特性。

图2

如图2所示，该系列提供多种正VBR电压，范围从15V到20V。该系列的负VBR设定为5V。根据ISO 76371-3电气瞬态指南，10, 1000微秒脉冲的正向Ipp值在正向方向上范围为24.6 A到18.6 A，负向方向为60 A。这对应于在每个端子上安装在5mm x 5mm铜垫上的25℃下的峰值脉冲功率耗散额定值为600 W(这对应于Ipp × Vclamp)。

设备的代表性IV曲线如图3所示。

图3

结论

TVS二极管可以为半导体设备提供重要保护，新型双向非对称钳制系列非常适合作为单个组件解决方案用于SiC MOSFET门保护。TPSMBxx05系列获得AEC-Q101汽车应用认证，适用于车载充电和牵引逆变器等应用。