以下文章來(lái)源于IGBT應(yīng)用，作者Tristans

在IGBT為主流的時(shí)代，提到抗短路能力，就是有或者沒(méi)有。如果器件具備抗短路能力，那就是比較能抗，一般不容易引起失效。但是SiC-MOS給人的感覺(jué)就是不那么皮實(shí)，魯棒性并沒(méi)那么讓人放心。

基本介紹

在逆變器應(yīng)用中，短路是需要考慮和應(yīng)對(duì)的一種工況，要求電力電子系統(tǒng)在短路情況下不發(fā)生失效損壞。無(wú)論是家用電動(dòng)汽車中的逆變器還是通用變頻器，都有可能在運(yùn)行中的意外、機(jī)械系統(tǒng)故障，維護(hù)、修理過(guò)程中的人為操作失誤等引起系統(tǒng)發(fā)生短路故障。因此要求功率半導(dǎo)體器件能扛得住短路工況。

傳統(tǒng)的IGBT，一般抗短路能力較強(qiáng)，IGBT無(wú)論是模塊還是單管，在規(guī)格書中標(biāo)注5-10us的抗短路能力都是比較常見(jiàn)的。這么標(biāo)注對(duì)于廠家而言也是包含了很大的裕量。對(duì)于驅(qū)動(dòng)而言，這有足夠的時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)退飽和保護(hù)。比如10us抗短路能力的管子，完全可以3us的響應(yīng)時(shí)間，以及3us的軟關(guān)斷時(shí)間。容錯(cuò)空間很大，因此我們對(duì)IGBT的抗短路能力是比較放心的。

當(dāng)然IGBT的抗短路能力也不是無(wú)限的，它會(huì)對(duì)器件造成非常大的應(yīng)力，并導(dǎo)致一些損傷。項(xiàng)羽力大能抗鼎，天天舉著那玩意他肯定倒下了。短路本質(zhì)上是一種故障狀態(tài)，既然是故障狀態(tài)肯定不能是無(wú)限次發(fā)生的。比如英飛凌在規(guī)格書中會(huì)標(biāo)注允許發(fā)生短路的次數(shù)。

IGBT實(shí)際的短路能力要遠(yuǎn)超這個(gè)數(shù)值的，大家都懂的，英飛凌規(guī)格書往往都是很保守的。比如覺(jué)大多是的英飛凌的規(guī)格書上關(guān)于短路能力的標(biāo)注都是寫短路電流而不是短路時(shí)間。像安森美的規(guī)格書的標(biāo)法就比較直接。

英飛凌在其公眾號(hào)中提到，早期做過(guò)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，4個(gè)1200V3600A的基于IGBT3技術(shù)的IGBT模塊做的短路測(cè)試，短路脈沖10us，1/3Hz的頻率下，4個(gè)模塊的短路次數(shù)均超過(guò)10000次。

筆者在前司的時(shí)候評(píng)估系統(tǒng)短路能力可靠與否也是會(huì)讓模塊短路個(gè)10000次，以評(píng)估短路能力是否可靠。

SiC-MOS與IGBT抗短路能力對(duì)比

這邊我們?cè)賮?lái)對(duì)比看看SiC-MOS的抗短路能力。SiC-MOS的抗短路能力比IGBT要弱得多。短路的失效本質(zhì)上是熱，即能量的時(shí)間積累。短路能量低，器件體積大，耐高溫，都是增強(qiáng)短路能力的辦法。同樣1200V，額定電流100A左右的SiC-MOS的面積在20mm左右；而IGBT的面積會(huì)到達(dá)100mm左右。不考慮厚度的情況下，IGBT的體積比SiC-MOS大了5倍。同時(shí)，SiC-MOS的短路飽和電流也比較高，往往能達(dá)到額定電流的10倍，而IGBT一般在4倍左右。

因此在相同電路工況下，SiC-MOS的短路功率能達(dá)到IGBT的2倍以上，但是體積僅僅只有IGBT的1/5。因此簡(jiǎn)單算一下，單位體積下的SiC-MOS的功率密度是IGBT的10倍以上。

這是簡(jiǎn)單計(jì)算，實(shí)際情況比這個(gè)還要惡劣，SiC-MOS短路時(shí)刻溫度分布比IGBT要集中。主要是SiC-MOS的漂移區(qū)更薄，發(fā)熱分布更加集中，如下圖所示。

所以SiC-MOS在短路時(shí)刻的功率密度一定會(huì)超過(guò)IGBT十倍以上，所以SiC-MO可耐受的短路時(shí)間短那是自然規(guī)律。如果IGBT可以可靠的耐受10us的短路時(shí)間，SiC-MOS相對(duì)可能只有1us不到。

IGBT短路時(shí)候，芯片內(nèi)部最高溫度可以接近400℃的本征失效臨界溫度。SiC-MOS則可以更高可以堅(jiān)持到600℃。然而這時(shí)瓶頸不是芯片內(nèi)部溫度而是外部綁定與連接部的溫度限制了，這時(shí)芯片表面溫度會(huì)超過(guò)175℃。當(dāng)芯片表面溫度過(guò)高的時(shí)候，會(huì)引起表面金屬鋁層的重建，并導(dǎo)致性能退化以至于失效。這也是IGBT短路失效的主要原因。即多次短路后，鋁金屬層重建導(dǎo)致的退化甚至綁定線脫落。對(duì)于SiC-MOS而言，由于溫度更高，即使1us的短路時(shí)間，其短路工況對(duì)表面金屬層的破壞要比IGBT嚴(yán)重，10000次的安全短路可能是難以企及的。再考慮到模塊中多芯片并聯(lián)的不一致性，更加難以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于逆變器而言，SiC-MOS功率半導(dǎo)體模塊可靠可重復(fù)的短路能力可能是短期內(nèi)難以企及的。這就好像一個(gè)200斤的肌肉大漢，你踹他一腳，他也就打個(gè)踉蹌。你感覺(jué)連續(xù)踹個(gè)十腳八腳也不會(huì)有啥事。但是一個(gè)100斤的奶油小生，你踹他一腳，他半天才起來(lái)，你敢給他來(lái)個(gè)連環(huán)腿嗎？

除此之外，SiC-MOS還有短路工況下的一些其他的問(wèn)題，包括大電流工作時(shí)，電子隧穿加劇導(dǎo)致閾值電壓漂移，引起柵極氧化層退化的問(wèn)題。

還有一個(gè)問(wèn)題筆者認(rèn)為可能是一個(gè)問(wèn)題，就是雙極退化的問(wèn)題。

相間短路時(shí)逆變器最常見(jiàn)的短路工況，當(dāng)半橋結(jié)構(gòu)的SiC-MOS發(fā)生相間短路的時(shí)候，電流一般會(huì)非常高，即使SiC-MOS能可靠的關(guān)斷短路電流，對(duì)管的SiC-MOS一般處于關(guān)閉狀態(tài)。這時(shí)候，就會(huì)有一個(gè)非常大的電流流過(guò)對(duì)管的體二極管。如下圖所示，當(dāng)V相上橋與W相下橋發(fā)生相間短路，并且V相上橋關(guān)斷之后，V相下橋會(huì)續(xù)流，這時(shí)候，V相下橋的體二極管可能會(huì)流過(guò)額定電力10倍的電流。由于此時(shí)V相下橋是關(guān)閉狀態(tài)，因此這個(gè)電流是流過(guò)體二極管的。由于上橋進(jìn)行了短路關(guān)斷，這個(gè)時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)封閉PWM波，因此下橋的這個(gè)電流會(huì)一直從體二極管中流過(guò)直到自然換流結(jié)束。這個(gè)電流無(wú)論是大小，還是時(shí)間，對(duì)于雙極退化而言是很嚴(yán)酷的，不過(guò)目前還沒(méi)有看到對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究。

總結(jié)

總結(jié)一下，SiC-MOS在逆變器應(yīng)用中，短期內(nèi)還是無(wú)法達(dá)到像IGBT那樣的短路魯棒性的，而且還會(huì)有在IGBT中沒(méi)有的新的問(wèn)題。這些問(wèn)題的根源都是SiC-MOS在短路時(shí)刻的飽和電流太大了。帶來(lái)了熱的問(wèn)題，柵極氧化層的退化的問(wèn)題，以及可能的體二極管雙極退化的問(wèn)題。如果能把退飽和電流降下來(lái)呢，這些問(wèn)題或許都將迎刃而解。