【導讀】在電力電子的很多應用，如電機驅動(dòng)，有時(shí)會(huì )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(shí)間內承受住短路電流而不損壞。目前市面上大部分IGBT都會(huì )在數據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(shí)間是10us，IGBT7短路時(shí)間是8us。而 大 部 分 的 SiC MOSFET 都 沒(méi) 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(chēng)短路時(shí)間是3us，EASY封裝器件標稱(chēng)短路時(shí)間是2us。
在電力電子的很多應用，如電機驅動(dòng)，有時(shí)會(huì )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(shí)間內承受住短路電流而不損壞。
目前市面上大部分IGBT都會(huì )在數據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(shí)間是10us，IGBT7短路時(shí)間是8us。
而 大 部 分 的 SiC MOSFET 都 沒(méi) 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(chēng)短路時(shí)間是3us，EASY封裝器件標稱(chēng)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(jiǎn)單分析一下。
先以IGBT為例，看一下短路時(shí)，功率器件內部發(fā)生了什么？
功率器件正常工作時(shí)處于飽和區，CE電壓很低，此時(shí)器件電流隨CE電壓提高而上升。隨著(zhù)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定，不再隨CE電壓上升而上升，我們稱(chēng)之為退出飽和區。在IGBT的輸出特性曲線(xiàn)上，我們能看到明顯的退飽和現象。
（關(guān)于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）
IGBT輸出特性曲線(xiàn)
有的SiC MOSFET沒(méi)有短路能力，是因為它沒(méi)有退飽和特性嗎？非也，SiC MOSFET也有退飽和特性，只不過(guò)對于MOSFET，工作區的命名方式和IGBT正好相反，正常工作的狀態(tài)為線(xiàn)性區。當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。只不過(guò)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)入飽和區的拐點(diǎn)不太明顯，和DIBL（漏致勢壘降低效應）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
我們以下圖為例，來(lái)說(shuō)明SiC MOSFET的一類(lèi)短路過(guò)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(kāi)始發(fā)生時(shí)，漏極電流迅速上升，很快到達一個(gè)峰值。由于開(kāi)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(kāi)始時(shí)，它也顯示出較少的自熱，峰值電流很高，超過(guò)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)生負反饋，從而降低了開(kāi)關(guān)速度。隨后，短路電流引起SiC MOSFET芯片結溫上升，溝道遷移率μn隨之降低，同時(shí)疊加JFET效應，使得短路電流自峰值后開(kāi)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，根據相關(guān)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(gè)在數據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)：
1.通過(guò)以上分析，我們可以看到，當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(lái)說(shuō)，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額定電流的10倍。這一點(diǎn)從二者的輸出特性曲線(xiàn)就可以看出來(lái)。
2.當功率器件短路時(shí)，器件承受母線(xiàn)電壓，電場(chǎng)分布在整個(gè)漂移區。因為SiC材料的臨界電場(chǎng)強度約是Si材料的10倍，因此，要達到同樣的耐壓等級，SiC MOSFETI漂移區僅需要SiIGBT的十分之一。這意味著(zhù)SiC MOSFET短路時(shí)發(fā)熱熱量更集中，溫度也更高。
3.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，導致其短路時(shí)發(fā)熱量集中，相對IGBT來(lái)說(shuō)，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計出來(lái)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(huì )下降，但相應的，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?？梢栽O計一個(gè)損耗極低但沒(méi)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，從而提升整體系統的可靠性。選擇哪一個(gè)方向，使器件最終呈現什么樣的性能，都是針對目標應用權衡的結果。
本文轉載自：infineon
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
實(shí)用技巧分享：為特定的模擬開(kāi)關(guān)構建宏模型
