以下文章來源于IGBT應(yīng)用，作者Tristans

在IGBT為主流的時代，提到抗短路能力，就是有或者沒有。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給人的感覺就是不那么皮實，魯棒性并沒那么讓人放心。

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。無論是家用電動汽車中的逆變器還是通用變頻器，都有可能在運行中的意外、機械系統(tǒng)故障，維護、修理過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，IGBT無論是模塊還是單管，在規(guī)格書中標注5-10us的抗短路能力都是比較常見的。這么標注對于廠家而言也是包含了很大的裕量。對于驅(qū)動而言，這有足夠的時間來設(shè)計退飽和保護。比如10us抗短路能力的管子，完全可以3us的響應(yīng)時間，以及3us的軟關(guān)斷時間。容錯空間很大，因此我們對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限的，它會對器件造成非常大的應(yīng)力，并導(dǎo)致一些損傷。項羽力大能抗鼎，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)肯定不能是無限次發(fā)生的。比如英飛凌在規(guī)格書中會標注允許發(fā)生短路的次數(shù)。

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

英飛凌在其公眾號中提到，早期做過的一個實驗，4個1200V3600A的基于IGBT3技術(shù)的IGBT模塊做的短路測試，短路脈沖10us，1/3Hz的頻率下，4個模塊的短路次數(shù)均超過10000次。

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

SiC-MOS與IGBT抗短路能力對比

這邊我們再來對比看看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，即能量的時間積累。短路能量低，器件體積大，耐高溫，都是增強短路能力的辦法。同樣1200V，額定電流100A左右的SiC-MOS的面積在20mm左右；而IGBT的面積會到達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，SiC-MOS的短路飽和電流也比較高，往往能達到額定電流的10倍，而IGBT一般在4倍左右。

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

這是簡單計算，實際情況比這個還要惡劣，SiC-MOS短路時刻溫度分布比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在短路時刻的功率密度一定會超過IGBT十倍以上，所以SiC-MO可耐受的短路時間短那是自然規(guī)律。如果IGBT可以可靠的耐受10us的短路時間，SiC-MOS相對可能只有1us不到。

IGBT短路時候，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則可以更高可以堅持到600℃。然而這時瓶頸不是芯片內(nèi)部溫度而是外部綁定與連接部的溫度限制了，這時芯片表面溫度會超過175℃。當(dāng)芯片表面溫度過高的時候，會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。對于SiC-MOS而言，由于溫度更高，即使1us的短路時間，其短路工況對表面金屬層的破壞要比IGBT嚴重，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，更加難以實現(xiàn)。對于逆變器而言，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200斤的肌肉大漢，你踹他一腳，他也就打個踉蹌。你感覺連續(xù)踹個十腳八腳也不會有啥事。但是一個100斤的奶油小生，你踹他一腳，他半天才起來，你敢給他來個連環(huán)腿嗎？

除此之外，SiC-MOS還有短路工況下的一些其他的問題，包括大電流工作時，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題。

還有一個問題筆者認為可能是一個問題，就是雙極退化的問題。

相間短路時逆變器最常見的短路工況，當(dāng)半橋結(jié)構(gòu)的SiC-MOS發(fā)生相間短路的時候，電流一般會非常高，即使SiC-MOS能可靠的關(guān)斷短路電流，對管的SiC-MOS一般處于關(guān)閉狀態(tài)。這時候，就會有一個非常大的電流流過對管的體二極管。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相下橋會續(xù)流，這時候，V相下橋的體二極管可能會流過額定電力10倍的電流。由于此時V相下橋是關(guān)閉狀態(tài)，因此這個電流是流過體二極管的。由于上橋進行了短路關(guān)斷，這個時候，系統(tǒng)會封閉PWM波，因此下橋的這個電流會一直從體二極管中流過直到自然換流結(jié)束。這個電流無論是大小，還是時間，對于雙極退化而言是很嚴酷的，不過目前還沒有看到對這個問題的研究。

總結(jié)

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