SiC MOSFET和IGBT器件短路行为的差异。
基于沟槽的碳化硅功率mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)代表了功率转换开关器件的优点(FOM)值的显著改进。因此，实现了出色的系统性能，实现了更高的效率，功率密度，并降低了许多应用程序的系统成本。
今天，为主要目标应用SiC(碳化硅)mosfet例如太阳能应用或电动汽车充电器，短路处理能力不是必须具备的标准。然而，对于电机驱动等应用，您可以在数据表中找到SiC MOSFET的短路耐受时间。本博客向您介绍短路行为的差异原文如此而且IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件，以及如何实现短路坚固性的CoolSiC mosfet。
首先，我们必须研究实际的短路破坏机制以及igbt和SiC mosfet之间差异的背景。
对于IGBT，一种失效机制是应力脉冲后的泄漏电流过大，从而导致短路脉冲后的热失控。幸运的是，根据我们现有的经验和SiC器件的知识，我们可以排除这种类型的故障模式。
在典型的短路事件中，全(直流链路)电压加到器件上，电流由负载阻抗和半导体的输出特性决定。因此，同时发生的高电压和大电流，会导致器件中非常高的功率损耗和热应力。正如预期的那样，热破坏是关键的限制因素，金属层的实际熔化是观察到的失效模式之一。该事件的持续时间在微秒范围内。
在这种情况下碳化硅器件，各种其他发现也被报道，例如，在成功通过短路事件[1]后发生门短路。
另一个重要的观察结果是，在短路条件下，SiC芯片内的温度要高得多，但分布不同igbt．由于峰值电流与设备额定电流的比值也大大高于受益于饱和效应的igbt，因此会出现更高的温度。场效电晶体被设计成具有非常低的RDS(上)这是通过使用短通道和有限的JFET(结场效应晶体管)效应来实现的。结果是SiC MOSFET的峰值电流可以是标称器件电流的十倍左右。对于IGBT，这个值可能只有标称电流的四倍。这发生在短路开始后的两种情况下(见图1)。即使后来电流下降到可以安全关闭的值(见图1中的虚线)，这里的整体温度仍然会上升。
图1:45 mΩ SiC MOSFET的典型短路波形
由于短路时间和由此产生的功率损耗在2-3 μs范围内，整个芯片的热容不能用于SiC MOSFET。此外，热量几乎完全产生在非常薄的漂移区，靠近芯片表面和隔离氧化层和顶层金属化。图2描述了这种情况，并将其与IGBT进行了比较。在高压硅器件中，峰值温度具有较低的振幅，并且更多地位于器件的体积中。因此，不同的失效模式将发生，因此对于SiC mosfet，其他缓解措施已到位，以调整器件的短路行为。
图2:IGBT(左图)和SiC MOSFET(右图)短路后的温度分布示意图。
减小峰值电流是非常重要的SiC场效电晶体在短路状态下。这可以通过p体区域更明显的JFET效应或降低门源电压V来实现GS．还有一些想法，如[2]所述。但这些因素对导通电阻都有负面影响。因此，需要深入了解系统需求和行为，以获得潜在的设备相关措施和系统创新，以处理短路事件，同时在标称运行条件下保持碳化硅的非凡性能。
如果要在数据表中指定短路耐受时间，则必须实施措施，以确保生产部件符合此性能。在英飞凌，我们在发货前对所有产品进行100%的生产测试。
引用:
C. Chen, D. Labrousse, S. Lefebvre, M. Petit, C. Buttay和H. Morel: SiC mosfet短路鲁棒性研究，失效模式分析和与BJTs的比较。《微电子可靠性》，2015年第55卷
[2] H. Hatta等:SiC mosfet中嵌入源电阻的短路电流抑制。材料科学学报，2018,Vol. 29, pp. 727-730
M. M. Bakran, S. Hain:将新的2D短路检测方法集成到一个由门电压供电的电源模块中。第二届IEEE南方电力电子年会(SPEC)， pp. 1-6, 2016
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