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2023-09-25
來源：英飛凌工業半導體
在電力電子的很多應用，如電機驅動，有時會出現短路的工況。這就要求功率器件有一定的扛短路能力，即在一定的時間內承受住短路電流而不損壞。
目前市面上大部分 IGBT 都會在資料手冊中標出短路能力，大部分在 5~10us 之間，例如英飛凌 IGBT3/4 的短路時間是 10us，IGBT7 短路時間是 8us。
而大部分的 SiC MOSFET 都沒有標出短路能力，即使有，也比較短，例如英飛凌的 CoolSiCTM MOSFET 單管封裝器件標稱短路時間是 3us，EASY 封裝器件標稱短路時間是 2us。
為什麼 IGBT 和 SiC MOSFET 短路能力差這麼多，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，功率器件內部發生了什麼？
功率器件正常工作時處於飽和區，CE 電壓很低，此時器件電流隨 CE 電壓提高而上升。隨著 CE 電壓進一步提升，反型層溝道被夾斷，器件電流相對保持穩定，不再隨 CE 電壓上升而上升，我們稱之為退出飽和區。在 IGBT 的輸出特性曲線上，我們能看到明顯的退飽和現象。（關於 IGBT 退飽和特性更詳細分析可參考如何理解 IGBT 的退飽和現象以及安全工作區）
有的 SiC MOSFET 沒有短路能力，是因為它沒有退飽和特性嗎？非也，SiC MOSFET 也有退飽和特性，只不過對於 MOSFET，工作區的命名方式和 IGBT 正好相反，正常工作的狀態為線性區。當 DS 之間電壓上升到一定程度後，溝道夾斷，電流隨 DS 電壓上升的趨勢變小，這時 MOSFET 進入了飽和區。只不過從輸出特性上看，對於 SiC MOSFET，進入飽和的拐點不太明顯。SiC MOSFET 進入飽和區的拐點不太明顯，和 DIBL（漏致勢壘降低效應）有關，有興趣瞭解的讀者請戳這篇文章 SiC MOSFET 的短溝道效應。
我們以下圖為例，來說明 SiC MOSFET 的一類短路過程。這是兩個 45mΩ 1200V CoolSiC™ MOSFET 的短路波形：一個是 4 腳的 TO-247 封裝，另一個是 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。
短路剛開始發生時，漏極電流迅速上升，很快到達一個峰值。由於開爾文源設計中的反饋回路減少，4 腳 TO-247 封裝的 MOSFET 的電流上升得更快，在短路事件開始時，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 作用於 3 腳元件的功率回路中的雜散電感，產生的暫態電壓對 VGS 產生負反饋，從而降低了開關速度。隨後，短路電流引起 SiC MOSFET 晶片結溫上升，溝道遷移率 μn 隨之降低，同時疊加 JFET 效應，使得短路電流自峰值後開始下降，漏極電流下降到大約 150A，直至關斷。測試波形證明了兩種封裝的 TO-247 CoolSiC™ MOSFET 的典型 3μs 短路能力。對於功率模組，根據相關的目標應用要求，目前的短路能力最高為 2μs。我們的 CoolSiC™ MOSFET 是第一個在資料表中保證短路耐受時間的器件。
TO247 3pin 封裝的 IMW120R030M1H 中，關於短路時間的定義：
EASY 封裝的 FF33MR12W1M1H 中，關於短路時間的定義：
大部分 IGBT 短路時間在 5~10μs，SiC MOSFET 器件短路時間相對比較低，主要原因有以下幾點：
綜上所述，SiC MOSFET 面積小、短路電流高、漂移層薄等特性，導致其短路時發熱量集中，相對 IGBT 來說，短路時間就相對短一些。
是不是 SiC MOSFET 短路能力就一定不如 IGBT 呢？也並不是這樣。功率器件的短路能力都是設計出來的，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 的導通電阻會下降，但相應的，電流密度更高，短路電流會更大，因此短路時間下降。
除了導通電阻，SiC MOSFET 短路能力設計還要考慮耐壓、損耗、壽命等多種因素。可以設計一個損耗極低但沒有短路能力的器件，也可以稍微犧牲一點性能，使器件具備短路能力，從而提升整體系統的可靠性。選擇哪一個方向，使器件最終呈現什麼樣的性能，都是針對目標應用權衡的結果。
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