為什么SiC MOSFET的短路耐受時(shí)間比較小

短路耐受時(shí)間(tsc)對(duì)于功率半導(dǎo)體器件來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較重要的參數(shù)，這也是為什么它會(huì)成為目前SiC推廣和應(yīng)用中被多次提及的原因。從目前來(lái)看，SiC的短路能力相對(duì)于先進(jìn)的Si基IGBT來(lái)講是低的。有的人就會(huì)說(shuō)了，SiC宣傳得如此強(qiáng)大的材料特性，為什么如此，短路能力這么不夠看呢？當(dāng)然了，萬(wàn)物皆不可十全十美，有強(qiáng)有弱才是推動(dòng)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。

我們都知道，IGBT發(fā)生短路時(shí)，需要在10us或者更短的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉IGBT，在相同的短路能耗下可以由其他參數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如柵極電壓VGE，母線電壓等，但最終都是為了保證IGBT不會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而失效。而SiC MOSFET的固有短路能力較小，根本原因也是因?yàn)闊?，是在?strong>短路事件前后的溫度分布不合理！

溫度分布

我們來(lái)看一下在一定短路時(shí)間前后Si IGBT和SiC MOSFET的溫度分布，

可以看出，SiC MOS在3us短路前后，整個(gè)器件結(jié)構(gòu)的溫度分布情況，幾乎整個(gè)短路能量都在整個(gè)結(jié)構(gòu)的前端便面附近產(chǎn)生和消耗。而對(duì)于1200V SiC MOSFET，這個(gè)有源基區(qū)僅僅在10um的范圍內(nèi)。短路產(chǎn)生的能耗主要產(chǎn)生在這個(gè)區(qū)域前端，導(dǎo)致前端區(qū)域溫度升高，尤其在前端的金屬層、柵極氧化物和其他前端部分造成很大的熱應(yīng)力。而這個(gè)較大的溫度梯度使得背面的溫度幾乎沒(méi)有變化。而Si IGBT的溫度在整個(gè)器件結(jié)構(gòu)上分布的更為均勻，最高溫度出現(xiàn)在整個(gè)厚度的2/3處。

因此，★為了提高SiC MOSFET的短路耐受性，特別是正面附近相關(guān)的互連結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行熱優(yōu)化。

當(dāng)然，從SiC MOSFET的內(nèi)部特性也可以調(diào)整其短路特性(這無(wú)可厚非，內(nèi)部權(quán)衡是功率器件一直以來(lái)所具有的), 但是這又變得“眾口難調(diào)”的情況，只能“折中”。

內(nèi)部特性權(quán)衡

從SiC MOSFET結(jié)構(gòu)出發(fā)，大致由一下幾種方式，這些可以從其飽和電流的公式大致看出，SiC MOSFET飽和電流

ID,sat=k/2*(Vgs-Vgs,th)2

Vgs為柵極電壓，Vgs,th為柵極閾值電壓。

其中，k為通道電導(dǎo)率，可表示為

k=（W*Cox*μn)/L

下面是一個(gè)DMOSFET的結(jié)構(gòu)，

其中，W為JFET寬度，L為溝道長(zhǎng)度，Cox為單位面積氧化物電容，μn為電子遷移率。

基于短路時(shí)間耐量和飽和電流的關(guān)系，我們可以看出，通過(guò)調(diào)整內(nèi)部特性來(lái)提高SiC MOSFET的短路耐量，一般由下面幾種權(quán)衡：L通道寬度權(quán)衡、Vgs,th權(quán)衡、Vgs偏置權(quán)衡；也可通過(guò)Rds,on來(lái)權(quán)衡(所有短路時(shí)間都可以通過(guò)犧牲Rds,on來(lái)實(shí)現(xiàn))。

但是，這種權(quán)衡相應(yīng)地會(huì)對(duì)溝道電阻產(chǎn)生影響，從下面的溝道電阻公式我們可以看出來(lái)，

RCH=1/((W/L)*Cox*μn*(Vgs-Vgs,th))

柵極偏置控制已經(jīng)在SiC MOSFET短路保護(hù)中被應(yīng)用，在檢測(cè)到短路時(shí)，Vgs立即降低。

下圖給到了這些權(quán)衡的關(guān)系依賴示意圖：

所以，★短路時(shí)間和Rds,on之間存在取舍，這也部分說(shuō)明了SiC MOSFET做出選擇的出發(fā)點(diǎn)。值得一提的是，以短路時(shí)間為代價(jià)的低Rds,on只可能在一定程度上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樽銐虻膱?chǎng)屏蔽結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)高柵極氧化物的最小柵極氧化層厚度是有限的。這由于元胞設(shè)計(jì)和電壓等級(jí)有關(guān)聯(lián)。

為了實(shí)現(xiàn)高溝道寬度的低Rds,on,與相同電壓等級(jí)的Si IGBT相比，SiC MOSFET的"飽和電流和額定電流"的比值ID,sat/Inom往往高很多，一般在10~15倍的范圍內(nèi)；而我們知道的10us短路耐受的IGBT來(lái)說(shuō)一般在4~6倍(有助于保證整體較低的短路能耗)的范圍內(nèi)。

另外，飽和電流和電壓等級(jí)也有密切關(guān)系。這個(gè)關(guān)系的原因歸結(jié)于DIBL，即漏感應(yīng)勢(shì)壘降低效應(yīng)(和元胞結(jié)構(gòu)、P屏蔽區(qū)域有關(guān))，該效應(yīng)與SiC MOSFET中的短n溝道有關(guān)。當(dāng)漏源電壓增加時(shí)，電場(chǎng)/空間電荷區(qū)域向溝道區(qū)域靠近，有效地縮短了溝道。因此，隨著漏源電壓升高，Vth,gs減小，ID,sat增加(可以結(jié)合上面的飽和電流公式來(lái)看)。下圖是DIBL效應(yīng)，Vgs,th隨VDS升高而減小，ID,sat隨VDS升高而升高的示意圖。

小結(jié)

為了克服Rds,on和短路能力之間的艱難權(quán)衡，越來(lái)越多的保護(hù)措施被提出，比如智能門(mén)極驅(qū)動(dòng)方案；好像有的因?yàn)镾iC MOSFET短路時(shí)間短，干脆不進(jìn)行短路保護(hù)。當(dāng)然，相信未來(lái)會(huì)發(fā)展，一切都有希望......

審核編輯：劉清