SiCMOSFET和IGBT在短路时的对比

基于沟道的硅碳功率金氧半场效应晶体管（MOSFETs）为电力转换开关设备的性能优化系数（FOM）带来了显著提升。这让系统性能得以凸显，提高了多种应用的效率和功率密度，并降低了整体系统的成本。

在硅碳 (SiC) MOSFETs的主要应用，如太阳能系统或电动汽车充电器中，短路处理能力并非首要考量的要素。但对于电机驱动等类型的应用，你会发现数据表中明确标注了SiC MOSFET的短路承受时间。这篇文章虽主要描述了SiC和IGBT（绝缘栅双极晶体管）在处理短路行为上的差异，同时也为你解析了CoolSiC MOSFETs如何达成其出色的短路承受能力。

IGBT与SiC MOSFET短路行为的主要差异

在刨析这个复杂主题前，理解实际的短路破坏机制以及IGBT和SiC MOSFET间的差异是关键。对于IGBT，其中一个破坏机制源于过高的泄露电流，这可能在应力脉冲过后导致设备因温度过高而运行异常。然而幸运的是，根据我们对SiC设备的深入理解，这种失败模式可以被应为避免。

在一般的短路事件中，全压（设备的直流链接电压）会被施加在设备上，同时电流受到负载阻抗与半导体输出特性的调节。此时，高电压和高电流同步出现，造成设备内部出现极高的功率损失和热应力。由此可见，热破坏是造成设备限制的关键因素，破坏模式之一就是金属层实际上的熔化，这样的时间通常在微秒级别。比如对于硅碳设备，经过短路测试后，有报道称会出现门极短路现象。

其中一个重要的发现是：在短路条件下，SiC芯片内部的温度比IGBT更高，并且温度分布也有所不同。这是因为峰值电流也明显更高，相对设备额定电流的比值——饱和效应在SiC MOSFETs上比在IGBT上更小。MOSFETs被设计成具有非常低的开启阻抗RDS(on)，这通过使用短通道和有限的结型场效应晶体管（JFET）效应而达成。此结构导致SiC MOSFET的峰值电流可能是设备名义电流的约10倍。而对一个IGBT而言，这个值可能只相当于名义电流的4倍。一旦短路开始，这种现象会立即发生。尽管当前随后下降至可以安全关闭的程度，但是整体温度可能仍然会上升。

由于短路时间和因此产生的功率损耗都在2-3微秒的范围内，因此，SiC MOSFET无法充分利用整个芯片的热容量。同样，在非常薄的漂移区，热量几乎完全在芯片的表面产生，隔离氧化层和顶部金属化层也是如此。这一情况和IGBT形成了鲜明对比。在高压硅设备中，尖峰温度显著降低，并且更集中于设备体积中。这些差异会导致不同的破坏模式，因此，对于SiC MOSFETs，采取其他的缓解措施以调整设备的短路行为是必要的。

实现CoolSiC MOSFETs的短路稳定性

在短路条件下，降低SiC MOSFETs的峰值电流是非常重要的。这可以通过增加p-type体区域的JFET效应或降低源栅电压VGS来实现。然而，所有这些方法都会对开启阻抗产生不利影响。因此，要对系统需求和行为有深入的理解，以推导出可能的设备相关措施和系统创新方案以应对短路事件，同时保持硅碳在常规操作条件下的优越性能。