談?wù)凷iC MOSFET的短路能力

在電力電子的很多應(yīng)用，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)短路的工況。這就要求功率器件有一定的扛短路能力，即在一定的時(shí)間內(nèi)承受住短路電流而不損壞。

目前市面上大部分IGBT都會(huì)在數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)出短路能力，大部分在5~10us之間，例如英飛凌IGBT3/4的短路時(shí)間是10us，IGBT7短路時(shí)間是8us。

而大部分的SiC MOSFET都沒有標(biāo)出短路能力，即使有，也比較短，例如英飛凌的CoolSiCTM MOSFET單管封裝器件標(biāo)稱短路時(shí)間是3us，EASY封裝器件標(biāo)稱短路時(shí)間是2us。

為什么IGBT和SiC MOSFET短路能力差這么多，這是SiC天生的缺陷嗎？今天我們簡單分析一下。

先以IGBT為例，看一下短路時(shí)，功率器件內(nèi)部發(fā)生了什么？

功率器件正常工作時(shí)處于飽和區(qū)，CE電壓很低，此時(shí)器件電流隨CE電壓提高而上升。隨著CE電壓進(jìn)一步提升，反型層溝道被夾斷，器件電流相對保持穩(wěn)定，不再隨CE電壓上升而上升，我們稱之為退出飽和區(qū)。在IGBT的輸出特性曲線上，我們能看到明顯的退飽和現(xiàn)象。（關(guān)于IGBT退飽和特性更詳細(xì)分析可參考如何理解IGBT的退飽和現(xiàn)象以及安全工作區(qū)）

(a) IGBT工作在飽和區(qū)

(b)? IGBT退出飽和區(qū)，溝道夾斷

IGBT輸出特性曲線

有的SiC MOSFET沒有短路能力，是因?yàn)樗鼪]有退飽和特性嗎？非也，SiC MOSFET也有退飽和特性，只不過對于MOSFET，工作區(qū)的命名方式和IGBT正好相反，正常工作的狀態(tài)為線性區(qū)。當(dāng)DS之間電壓上升到一定程度后，溝道夾斷，電流隨DS電壓上升的趨勢變小，這時(shí)MOSFET進(jìn)入了飽和區(qū)。只不過從輸出特性上看，對于SiC MOSFET，進(jìn)入飽和的拐點(diǎn)不太明顯。SiC MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)的拐點(diǎn)不太明顯，和DIBL（漏致勢壘降低效應(yīng)）有關(guān)，有興趣了解的讀者請戳這篇文章SiC?MOSFET的短溝道效應(yīng)。

我們以下圖為例，來說明SiC MOSFET的一類短路過程。這是兩個(gè)45mΩ 1200V CoolSiC? MOSFET的短路波形：一個(gè)是4腳的TO-247封裝，另一個(gè)是3腳TO-247封裝。圖中顯示了兩者在VDS=800V的直流電壓下的情況。

短路剛開始發(fā)生時(shí)，漏極電流迅速上升，很快到達(dá)一個(gè)峰值。由于開爾文源設(shè)計(jì)中的反饋回路減少，4腳TO-247封裝的MOSFET的電流上升得更快，在短路事件開始時(shí)，它也顯示出較少的自熱，峰值電流很高，超過300A。相反，3腳TO-247封裝的器件顯示出較小的峰值電流。造成這種情況的主要原因是di/dt作用于3腳元件的功率回路中的雜散電感，產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓對VGS產(chǎn)生負(fù)反饋，從而降低了開關(guān)速度。隨后，短路電流引起SiC MOSFET芯片結(jié)溫上升，溝道遷移率μn隨之降低，同時(shí)疊加JFET效應(yīng)，使得短路電流自峰值后開始下降，漏極電流下降到大約150A，直至關(guān)斷。測試波形證明了兩種封裝的TO-247 CoolSiC? MOSFET的典型3μs短路能力。對于功率模塊，根據(jù)相關(guān)的目標(biāo)應(yīng)用要求，目前的短路能力最高為2μs。我們的CoolSiC? MOSFET是第一個(gè)在數(shù)據(jù)表中保證短路耐受時(shí)間的器件。

TO247 3pin 封裝的IMW120R030M1H中，關(guān)于短路時(shí)間的定義：

EASY封裝的FF33MR12W1M1H中，關(guān)于短路時(shí)間的定義：

大部分IGBT短路時(shí)間在5~10μs，SiC MOSFET器件短路時(shí)間相對比較低，主要原因有以下幾點(diǎn)：

通過以上分析，我們可以看到，當(dāng)功率器件處于短路狀態(tài)時(shí)，短路電流相對恒定。對于IGBT來說，短路電流一般是額定電流的4~6倍，而SiC MOSFET的短路電流一般可達(dá)額定電流的10倍。這一點(diǎn)從二者的輸出特性曲線就可以看出來。

當(dāng)功率器件短路時(shí)，器件承受母線電壓，電場分布在整個(gè)漂移區(qū)。因?yàn)镾iC材料的臨界電場強(qiáng)度約是Si材料的10倍，因此，要達(dá)到同樣的耐壓等級，SiC MOSFETI漂移區(qū)僅需要Si IGBT的十分之一。這意味著SiC MOSFET短路時(shí)發(fā)熱熱量更集中，溫度也更高。

SiC MOSFET芯片面積小于同電流等級的IGBT，電流密度更高，熱量更集中。

綜上所述，SiC MOSFET面積小、短路電流高、漂移層薄等特性，導(dǎo)致其短路時(shí)發(fā)熱量集中，相對IGBT來說，短路時(shí)間就相對短一些。

是不是SiC MOSFET短路能力就一定不如IGBT呢？也并不是這樣。功率器件的短路能力都是設(shè)計(jì)出來的，短路能力需要和其他性能做折衷。比如增加器件溝道密度，MOSFET的導(dǎo)通電阻會(huì)下降，但相應(yīng)的，電流密度更高，短路電流會(huì)更大，因此短路時(shí)間下降。

除了導(dǎo)通電阻，SiC MOSFET短路能力設(shè)計(jì)還要考慮耐壓、損耗、壽命等多種因素?？梢栽O(shè)計(jì)一個(gè)損耗極低但沒有短路能力的器件，也可以稍微犧牲一點(diǎn)性能，使器件具備短路能力，從而提升整體系統(tǒng)的可靠性。選擇哪一個(gè)方向，使器件最終呈現(xiàn)什么樣的性能，都是針對目標(biāo)應(yīng)用權(quán)衡的結(jié)果。