在現(xiàn)代電子設(shè)備中，功率晶體管扮演著至關(guān)重要的角色，它們就像是電流的“開(kāi)關(guān)”，控制著能量的流動(dòng)。然而，當(dāng)意外的短路發(fā)生時(shí)，這些“開(kāi)關(guān)”將面臨一場(chǎng)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。巨大的能量在一瞬間涌入，足以在眨眼間將器件燒毀。因此，一個(gè)合格的功率晶體管不僅需要高效地工作，更必須具備強(qiáng)大的短路耐受能力，以便在故障發(fā)生時(shí)能夠給予系統(tǒng)足夠的反應(yīng)時(shí)間，啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制。

本文將深入探討兩種備受矚目的功率晶體管——英飛凌的CoolGaN（氮化鎵高電子遷移率晶體管）和OptiMOS 6（硅基場(chǎng)效應(yīng)晶體管），在極端短路條件下的表現(xiàn)。通過(guò)一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試，我們將揭示這兩種不同材料的晶體管，在面對(duì)短路時(shí)各自獨(dú)特的“生存之道”，為工程師們?cè)谶x擇器件和設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí)提供寶貴的參考。

測(cè)試前的準(zhǔn)備：一場(chǎng)公平的較量

為了確保測(cè)試結(jié)果的公正性和可比性，我們精心搭建了一個(gè)模擬實(shí)際工作環(huán)境的測(cè)試平臺(tái)。所有測(cè)試均在溫度為25°C、相對(duì)濕度低于35%的受控環(huán)境中進(jìn)行。

我們的“參賽選手”：

GaN選手：100VCoolGaN晶體管，型號(hào)IGD015S10S1，采用RQFN封裝。

硅基選手：100VOptiMOS6晶體管，型號(hào)ISC022N10NM6，采用SuperSO8封裝。

這兩種晶體管在封裝和導(dǎo)通電阻上都非常相似，使得它們成為一場(chǎng)“公平較量”的完美對(duì)手。

我們的“裁判團(tuán)隊(duì)”：

它們都被安裝在英飛凌通用評(píng)估板上，并由一個(gè)高性能的柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，確保信號(hào)的精確性。同時(shí)，我們使用了高精度的電源、示波器以及電流探頭等專(zhuān)業(yè)儀器，以便能夠捕捉到短路發(fā)生時(shí)電流和電壓的每一個(gè)細(xì)微變化，為后續(xù)的分析提供可靠的數(shù)據(jù)。

第一場(chǎng)：輸出短路測(cè)試

輸出短路，通常發(fā)生在逆變器或全橋配置中，當(dāng)兩相之間意外短接時(shí)，電源的能量將毫無(wú)限制地涌向晶體管，這是對(duì)器件短路耐受性最嚴(yán)峻的考驗(yàn)之一。

硅基MOSFET的表現(xiàn)：

在測(cè)試中，OptiMOS 6 晶體管在導(dǎo)通瞬間，電流迅速飆升，器件進(jìn)入了線性區(qū)，并在極短的時(shí)間內(nèi)因?yàn)闊釕?yīng)力急劇升高而失效。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在短短約 15微秒 后，器件就因?yàn)闊o(wú)法承受的高溫而永久性損壞。其電流和電壓波形。這種現(xiàn)象就像是器件在短路瞬間進(jìn)入了“超負(fù)荷”狀態(tài)，熱量來(lái)不及散發(fā)，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)崩潰。仿真結(jié)果也印證了這一點(diǎn)，在關(guān)斷瞬間，結(jié)溫急劇上升，即使關(guān)斷后，損壞的器件也會(huì)持續(xù)導(dǎo)電，最終徹底失效。

GaN HEMT的表現(xiàn)：

與MOSFET的慘烈表現(xiàn)形成鮮明對(duì)比的是，CoolGaN 晶體管展現(xiàn)了令人驚嘆的韌性。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，盡管其電流也迅速上升，但由于其獨(dú)特的物理特性，其高壓降能將電流重新分配，從而有效地將短路電流峰值限制在一個(gè)較低的水平，使其穩(wěn)定在約 200A 左右。其電流和電壓波形所示。這種“自我限制”的特性極大地降低了瞬時(shí)功耗，使得CoolGaN 在相同的測(cè)試條件下能夠維持更長(zhǎng)的時(shí)間，約為45微秒是MOSFET耐受時(shí)間的3倍。在測(cè)試結(jié)束后，晶體管仍保持完好。

第二場(chǎng)：半橋短路測(cè)試

半橋短路，又稱“支路短路”，模擬了半橋中一個(gè)器件失效或直流母線與開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)直接短接的場(chǎng)景。與輸出短路相比，這種短路模式通常會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，考驗(yàn)的是器件在持續(xù)高壓和高電流下的耐受能力。

硅基MOSFET的表現(xiàn)：

在此次測(cè)試中，OptiMOS 6 晶體管在約45微秒 時(shí)因熱應(yīng)力而失效。它的電流在導(dǎo)通時(shí)迅速上升，并一直維持在一個(gè)高水平，直到器件被徹底摧毀。仿真數(shù)據(jù)揭示了失效的根本原因：在失效瞬間，其結(jié)溫達(dá)到了驚人的 865°C。這種持續(xù)的高溫最終超過(guò)了硅基材料的極限，導(dǎo)致器件無(wú)法逆轉(zhuǎn)的損壞。

GaN HEMT的表現(xiàn)：

面對(duì)同樣的挑戰(zhàn)，CoolGaN晶體管再次展現(xiàn)了其強(qiáng)大的“生存能力”。測(cè)試結(jié)果顯示，它在短路條件下能夠維持長(zhǎng)達(dá)數(shù)百微秒。其電流在進(jìn)入線性區(qū)后，呈現(xiàn)出一種獨(dú)特的“塌陷”現(xiàn)象，迅速降低并穩(wěn)定在約 150A 的較低水平。正是這種自我電流限制的特性，使得器件的功耗得到了有效控制，使其能夠持續(xù)運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間。最終，CoolGaN 在約280微秒 時(shí)因熱應(yīng)力而失效，但這一時(shí)間足足是MOSFET耐受時(shí)間的6倍。仿真結(jié)果也顯示，盡管其結(jié)溫在失效時(shí)達(dá)到了約775°C，但由于其優(yōu)異的熱特性，溫升速率更慢，這為外部保護(hù)電路留下了充足的反應(yīng)時(shí)間。

探尋背后的科學(xué)：GaN的“生存密碼”

為什么在兩種嚴(yán)苛的短路測(cè)試中，GaN晶體管的表現(xiàn)都遠(yuǎn)超硅基MOS？答案隱藏在兩種材料截然不同的物理特性中。

1. 跨導(dǎo)與溫度的關(guān)系：GaN晶體管的跨導(dǎo)（即柵極電壓對(duì)漏極電流的控制能力）對(duì)溫度的敏感度遠(yuǎn)低于硅基MOSFET。這意味著當(dāng)器件在短路時(shí)發(fā)熱，其導(dǎo)通能力不會(huì)像MOSFET那樣急劇下降，從而能更好地維持電流的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)“熱失控”的正反饋效應(yīng)。

2. 獨(dú)特的電流限制能力：GaN獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其在短路時(shí)能夠自然地限制電流。在進(jìn)入線性區(qū)后，GaN晶體管的電流會(huì)趨于一個(gè)固定值，而不是像MOSFET那樣持續(xù)飆升。這種“固定電流源”的特性，能夠顯著降低短路時(shí)的瞬時(shí)功耗，從而延長(zhǎng)器件的生存時(shí)間。

3. 更優(yōu)越的熱特性：盡管兩種器件在失效時(shí)結(jié)溫都超過(guò)了其最大額定值，但GaN晶體管在熱應(yīng)力下的表現(xiàn)更佳，其溫升速率更慢。這為外部保護(hù)電路提供了寶貴的“窗口期”，以在器件永久性損壞之前做出響應(yīng)。

總結(jié)：GaN，短路保護(hù)的未來(lái)

本文通過(guò)詳實(shí)的測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，清晰地展示了100V CoolGaN 晶體管在短路耐受性上對(duì) 100 V OptiMOS 6 晶體管的顯著優(yōu)勢(shì)。這種優(yōu)勢(shì)主要源于其優(yōu)異的跨導(dǎo)-溫度特性以及在短路時(shí)能夠自我限制電流的能力。這一發(fā)現(xiàn)不僅證明了GaN在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的巨大潛力，也為工程師們?cè)诿鎸?duì)短路挑戰(zhàn)時(shí)提供了全新的解決方案。未來(lái)，隨著GaN技術(shù)的不斷成熟，必將在各種高功率高效率應(yīng)用中扮演越來(lái)越重要的角色。