浮思特| SiC MOSFET和IGBT在短路時的對比

基于溝道的硅碳功率金氧半場效應晶體管（MOSFETs）為電力轉換開關設備的性能優(yōu)化系數(shù)（FOM）帶來了顯著提升。這讓系統(tǒng)性能得以凸顯，提高了多種應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的主要應用，如太陽能系統(tǒng)或電動汽車充電器中，短路處理能力并非首要考量的要素。但對于電機驅動等類型的應用，你會發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)表中明確標注了SiC MOSFET的短路承受時間。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，同時也為你解析了CoolSiC MOSFETs如何達成其出色的短路承受能力。

IGBT與SiC MOSFET短路行為的主要差異

在刨析這個復雜主題前，理解實際的短路破壞機制以及IGBT和SiC MOSFET間的差異是關鍵。對于IGBT，其中一個破壞機制源于過高的泄露電流，這可能在應力脈沖過后導致設備因溫度過高而運行異常。然而幸運的是，根據(jù)我們對SiC設備的深入理解，這種失敗模式可以被應為避免。

在一般的短路事件中，全壓（設備的直流鏈接電壓）會被施加在設備上，同時電流受到負載阻抗與半導體輸出特性的調節(jié)。此時，高電壓和高電流同步出現(xiàn)，造成設備內部出現(xiàn)極高的功率損失和熱應力。由此可見，熱破壞是造成設備限制的關鍵因素，破壞模式之一就是金屬層實際上的熔化，這樣的時間通常在微秒級別。比如對于硅碳設備，經(jīng)過短路測試后，有報道稱會出現(xiàn)門極短路現(xiàn)象。

其中一個重要的發(fā)現(xiàn)是：在短路條件下，SiC芯片內部的溫度比IGBT更高，并且溫度分布也有所不同。這是因為峰值電流也明顯更高，相對設備額定電流的比值——飽和效應在SiC MOSFETs上比在IGBT上更小。MOSFETs被設計成具有非常低的開啟阻抗RDS(on)，這通過使用短通道和有限的結型場效應晶體管（JFET）效應而達成。此結構導致SiC MOSFET的峰值電流可能是設備名義電流的約10倍。而對一個IGBT而言，這個值可能只相當于名義電流的4倍。一旦短路開始，這種現(xiàn)象會立即發(fā)生。盡管當前隨后下降至可以安全關閉的程度，但是整體溫度可能仍然會上升。

由于短路時間和因此產生的功率損耗都在2-3微秒的范圍內，因此，SiC MOSFET無法充分利用整個芯片的熱容量。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形成了鮮明對比。在高壓硅設備中，尖峰溫度顯著降低，并且更集中于設備體積中。這些差異會導致不同的破壞模式，因此，對于SiC MOSFETs，采取其他的緩解措施以調整設備的短路行為是必要的。

實現(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。這可以通過增加p-type體區(qū)域的JFET效應或降低源柵電壓VGS來實現(xiàn)。然而，所有這些方法都會對開啟阻抗產生不利影響。因此，要對系統(tǒng)需求和行為有深入的理解，以推導出可能的設備相關措施和系統(tǒng)創(chuàng)新方案以應對短路事件，同時保持硅碳在常規(guī)操作條件下的優(yōu)越性能。