SiCMOSFET和IGBT在短路時(shí)的對(duì)比

基于溝道的硅碳功率金氧半場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFETs）為電力轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)備的性能優(yōu)化系數(shù)（FOM）帶來(lái)了顯著提升。這讓系統(tǒng)性能得以凸顯，提高了多種應(yīng)用的效率和功率密度，并降低了整體系統(tǒng)的成本。

在硅碳 (SiC) MOSFETs的主要應(yīng)用，如太陽(yáng)能系統(tǒng)或電動(dòng)汽車(chē)充電器中，短路處理能力并非首要考量的要素。但對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)等類(lèi)型的應(yīng)用，你會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)表中明確標(biāo)注了SiC MOSFET的短路承受時(shí)間。這篇文章雖主要描述了SiC和IGBT（絕緣柵雙極晶體管）在處理短路行為上的差異，同時(shí)也為你解析了CoolSiC MOSFETs如何達(dá)成其出色的短路承受能力。

IGBT與SiC MOSFET短路行為的主要差異

在刨析這個(gè)復(fù)雜主題前，理解實(shí)際的短路破壞機(jī)制以及IGBT和SiC MOSFET間的差異是關(guān)鍵。對(duì)于IGBT，其中一個(gè)破壞機(jī)制源于過(guò)高的泄露電流，這可能在應(yīng)力脈沖過(guò)后導(dǎo)致設(shè)備因溫度過(guò)高而運(yùn)行異常。然而幸運(yùn)的是，根據(jù)我們對(duì)SiC設(shè)備的深入理解，這種失敗模式可以被應(yīng)為避免。

在一般的短路事件中，全壓（設(shè)備的直流鏈接電壓）會(huì)被施加在設(shè)備上，同時(shí)電流受到負(fù)載阻抗與半導(dǎo)體輸出特性的調(diào)節(jié)。此時(shí)，高電壓和高電流同步出現(xiàn)，造成設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)極高的功率損失和熱應(yīng)力。由此可見(jiàn)，熱破壞是造成設(shè)備限制的關(guān)鍵因素，破壞模式之一就是金屬層實(shí)際上的熔化，這樣的時(shí)間通常在微秒級(jí)別。比如對(duì)于硅碳設(shè)備，經(jīng)過(guò)短路測(cè)試后，有報(bào)道稱(chēng)會(huì)出現(xiàn)門(mén)極短路現(xiàn)象。

其中一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是：在短路條件下，SiC芯片內(nèi)部的溫度比IGBT更高，并且溫度分布也有所不同。這是因?yàn)榉逯惦娏饕裁黠@更高，相對(duì)設(shè)備額定電流的比值——飽和效應(yīng)在SiC MOSFETs上比在IGBT上更小。MOSFETs被設(shè)計(jì)成具有非常低的開(kāi)啟阻抗RDS(on)，這通過(guò)使用短通道和有限的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）效應(yīng)而達(dá)成。此結(jié)構(gòu)導(dǎo)致SiC MOSFET的峰值電流可能是設(shè)備名義電流的約10倍。而對(duì)一個(gè)IGBT而言，這個(gè)值可能只相當(dāng)于名義電流的4倍。一旦短路開(kāi)始，這種現(xiàn)象會(huì)立即發(fā)生。盡管當(dāng)前隨后下降至可以安全關(guān)閉的程度，但是整體溫度可能仍然會(huì)上升。

由于短路時(shí)間和因此產(chǎn)生的功率損耗都在2-3微秒的范圍內(nèi)，因此，SiC MOSFET無(wú)法充分利用整個(gè)芯片的熱容量。同樣，在非常薄的漂移區(qū)，熱量幾乎完全在芯片的表面產(chǎn)生，隔離氧化層和頂部金屬化層也是如此。這一情況和IGBT形成了鮮明對(duì)比。在高壓硅設(shè)備中，尖峰溫度顯著降低，并且更集中于設(shè)備體積中。這些差異會(huì)導(dǎo)致不同的破壞模式，因此，對(duì)于SiC MOSFETs，采取其他的緩解措施以調(diào)整設(shè)備的短路行為是必要的。

實(shí)現(xiàn)CoolSiC MOSFETs的短路穩(wěn)定性

在短路條件下，降低SiC MOSFETs的峰值電流是非常重要的。這可以通過(guò)增加p-type體區(qū)域的JFET效應(yīng)或降低源柵電壓VGS來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，所有這些方法都會(huì)對(duì)開(kāi)啟阻抗產(chǎn)生不利影響。因此，要對(duì)系統(tǒng)需求和行為有深入的理解，以推導(dǎo)出可能的設(shè)備相關(guān)措施和系統(tǒng)創(chuàng)新方案以應(yīng)對(duì)短路事件，同時(shí)保持硅碳在常規(guī)操作條件下的優(yōu)越性能。