關于英飛凌CoolSiC MOSFET的抗短路能力

雖然如今設計的典型工業(yè)級IGBT可以應付大約10μs的短路時間，但SiC MOSFET幾乎沒有或者只有幾μs的抗短路能力。這常常被誤以為是SiC MOSFET的一個基本缺陷。但通過更為詳細的背景分析發(fā)現，有些類型的IGBT也不能應付短路工況（比如，為軟開關應用設計的IGBT），并且SiC MOSFET中的某些單元設計措施也可將它的抗短路性能提升至典型IGBT所具有的值?？紤]到SiC MOSFET的主要目標應用，如今并不要求它具備抗短路能力（或者只要求它具備上述的幾μs的抗短路能力），所以可以斷定，這一缺陷目前是可忽略不計的。而且必須指出的是，抗短路能力提高將對RDS（on）產生很大的負面影響。因此，在決定以保證短路耐受時間的形式提高抗短路能力時應當非常慎重。如果決定在數據表中指定該參數值，則必須采取措施確保成品器件的性能。在英飛凌，這是通過在裝運之前對所有產品進行100%生產測試做到的?？蛻敉ǔＲ笾付ㄒ粋€產品在應用時能夠成功抵抗的短路事件數量。要回答這個問題并不容易，因為在不同的運行條件下，實際短路條件（雜散電感等）可能差別很大。此時，供應商與最終用戶之間的特定評估，是解決這個問題的唯一途徑。

以下章節(jié)從簡要回顧實際短路破壞機制開始，幫助解釋IGBT與SiC MOSFET之間存在差異的背景原因。在典型的短路事件中，器件在被施加滿（DC總線）電壓的同時，也被施加由負載阻抗和半導體的輸出特性定義的電流。因此，同時施加的高電壓和大電流會導致器件中的功率損耗和熱應力都很大。根據預期，熱破壞是個關鍵的限制因素，金屬層的實際熔化是觀察到的失效模式之一。持續(xù)時間為微秒級。對于SiC，還報道了許多其他發(fā)現，如柵極在成功通過短路事件后發(fā)生短路。IGBT有時會出現類似這種的失效，這是因為施加應力脈沖之后的漏電流太大，進而導致在短路脈沖之后出現熱失控。但這種類型的失效模式可以根據對SiC器件的現有經驗和了解進行排除。

圖20.45mΩ和20A（標稱直流額定電流）的SiC MOSFET的典型短路波形

另一個重要發(fā)現是，在短路條件下，芯片內的溫度大幅度升高，顯示出與IGBT不同的分布。溫度升高也是因為峰值電流（與器件額定電流的比率）相比受益于飽和效應的IGBT大幅增大。而MOSFET的設計是通過使用短溝道和有限的JFET效應來減小RDS（on）。結果是，在短路開始之后，SiC MOSFET的峰值電流可以達到器件額定電流的10倍左右，而對于IGBT，該值可能僅為額定電流的4倍左右（參見圖20）。即使后來電流可以下降到一個可被安全關斷的值（參見圖20中的虛線），但總體溫度仍然會上升。

圖21.IGBT（左圖）和SiC MOSFET（右圖）在短路事件之后的溫度分布示意圖

對于SiC MOSFET，由于短路時間和由此造成的功率損耗都在2–3μs的范圍以內，所以無法利用整個芯片的散熱能力，熱量幾乎完全是在靠近芯片表面的極薄漂移區(qū)、隔離氧化層和頂部金屬層中產生的。圖21描繪了這一情境，并與IGBT進行了比較。在高壓硅器件中，峰值溫度的波動幅度較小，并且更多地是位于器件的主體中。于是便會出現不同的失效模式，因此對于SiC MOSFET，已采取其他規(guī)避措施來調整器件的短路行為。

英飛凌的CoolSiC MOSFET產品如今被指定的短路耐受時間可達3μs，且裝運之前已在封裝水平上進行百分百的檢驗。

對于SiC MOSFET，減小短路條件下的峰值電流很重要?？梢酝ㄟ^P基區(qū)更明顯的JFET效應、或降低VGS來減小峰值電流。如欲作進一步地了解，可以參見。但是，所有這些對導通電阻都有不利影響。因此，必須深入了解系統(tǒng)需求和行為，以得出潛在器件相關的措施和系統(tǒng)創(chuàng)新來應對短路事件，同時讓SiC在正常運行條件下保持非凡的性能。

原文標題：CoolSiC? MOSFET的抗短路能力

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