英飞凌功率晶体管的短路耐受性测试

在现代电子设备中，功率晶体管扮演着至关重要的角色，它们就像是电流的“开关”，控制着能量的流动。然而，当意外的短路发生时，这些“开关”将面临一场严峻的考验。巨大的能量在一瞬间涌入，足以在眨眼间将器件烧毁。因此，一个合格的功率晶体管不仅需要高效地工作，更必须具备强大的短路耐受能力，以便在故障发生时能够给予系统足够的反应时间，启动保护机制。

本文将深入探讨两种备受瞩目的功率晶体管——英飞凌的CoolGaN（氮化镓高电子迁移率晶体管）和OptiMOS 6（硅基场效应晶体管），在极端短路条件下的表现。通过一系列严谨的测试，我们将揭示这两种不同材料的晶体管，在面对短路时各自独特的“生存之道”，为工程师们在选择器件和设计保护电路时提供宝贵的参考。

测试前的准备：一场公平的较量

为了确保测试结果的公正性和可比性，我们精心搭建了一个模拟实际工作环境的测试平台。所有测试均在温度为25°C、相对湿度低于35%的受控环境中进行。

我们的“参赛选手”：

GaN选手：100VCoolGaN晶体管，型号IGD015S10S1，采用RQFN封装。

硅基选手：100VOptiMOS6晶体管，型号ISC022N10NM6，采用SuperSO8封装。

这两种晶体管在封装和导通电阻上都非常相似，使得它们成为一场“公平较量”的完美对手。

我们的“裁判团队”：

它们都被安装在英飞凌通用评估板上，并由一个高性能的栅极驱动器进行控制，确保信号的精确性。同时，我们使用了高精度的电源、示波器以及电流探头等专业仪器，以便能够捕捉到短路发生时电流和电压的每一个细微变化，为后续的分析提供可靠的数据。

第一场：输出短路测试

输出短路，通常发生在逆变器或全桥配置中，当两相之间意外短接时，电源的能量将毫无限制地涌向晶体管，这是对器件短路耐受性最严峻的考验之一。

硅基MOSFET的表现：

在测试中，OptiMOS 6 晶体管在导通瞬间，电流迅速飙升，器件进入了线性区，并在极短的时间内因为热应力急剧升高而失效。测试数据显示，在短短约 15微秒 后，器件就因为无法承受的高温而永久性损坏。其电流和电压波形。这种现象就像是器件在短路瞬间进入了“超负荷”状态，热量来不及散发，导致其内部结构崩溃。仿真结果也印证了这一点，在关断瞬间，结温急剧上升，即使关断后，损坏的器件也会持续导电，最终彻底失效。

GaN HEMT的表现：

与MOSFET的惨烈表现形成鲜明对比的是，CoolGaN 晶体管展现了令人惊叹的韧性。当短路发生时，尽管其电流也迅速上升，但由于其独特的物理特性，其高压降能将电流重新分配，从而有效地将短路电流峰值限制在一个较低的水平，使其稳定在约 200A 左右。其电流和电压波形所示。这种“自我限制”的特性极大地降低了瞬时功耗，使得CoolGaN 在相同的测试条件下能够维持更长的时间，约为45微秒是MOSFET耐受时间的3倍。在测试结束后，晶体管仍保持完好。

第二场：半桥短路测试

半桥短路，又称“支路短路”，模拟了半桥中一个器件失效或直流母线与开关节点直接短接的场景。与输出短路相比，这种短路模式通常会持续更长时间，考验的是器件在持续高压和高电流下的耐受能力。

硅基MOSFET的表现：

在此次测试中，OptiMOS 6 晶体管在约45微秒 时因热应力而失效。它的电流在导通时迅速上升，并一直维持在一个高水平，直到器件被彻底摧毁。仿真数据揭示了失效的根本原因：在失效瞬间，其结温达到了惊人的 865°C。这种持续的高温最终超过了硅基材料的极限，导致器件无法逆转的损坏。

GaN HEMT的表现：

面对同样的挑战，CoolGaN晶体管再次展现了其强大的“生存能力”。测试结果显示，它在短路条件下能够维持长达数百微秒。其电流在进入线性区后，呈现出一种独特的“塌陷”现象，迅速降低并稳定在约 150A 的较低水平。正是这种自我电流限制的特性，使得器件的功耗得到了有效控制，使其能够持续运行更长时间。最终，CoolGaN 在约280微秒 时因热应力而失效，但这一时间足足是MOSFET耐受时间的6倍。仿真结果也显示，尽管其结温在失效时达到了约775°C，但由于其优异的热特性，温升速率更慢，这为外部保护电路留下了充足的反应时间。

探寻背后的科学：GaN的“生存密码”

为什么在两种严苛的短路测试中，GaN晶体管的表现都远超硅基MOS？答案隐藏在两种材料截然不同的物理特性中。

1. 跨导与温度的关系：GaN晶体管的跨导（即栅极电压对漏极电流的控制能力）对温度的敏感度远低于硅基MOSFET。这意味着当器件在短路时发热，其导通能力不会像MOSFET那样急剧下降，从而能更好地维持电流的稳定性，避免出现“热失控”的正反馈效应。

2. 独特的电流限制能力：GaN独特的结构使其在短路时能够自然地限制电流。在进入线性区后，GaN晶体管的电流会趋于一个固定值，而不是像MOSFET那样持续飙升。这种“固定电流源”的特性，能够显著降低短路时的瞬时功耗，从而延长器件的生存时间。

3. 更优越的热特性：尽管两种器件在失效时结温都超过了其最大额定值，但GaN晶体管在热应力下的表现更佳，其温升速率更慢。这为外部保护电路提供了宝贵的“窗口期”，以在器件永久性损坏之前做出响应。

总结：GaN，短路保护的未来

本文通过详实的测试和数据分析，清晰地展示了100V CoolGaN 晶体管在短路耐受性上对 100 V OptiMOS 6 晶体管的显著优势。这种优势主要源于其优异的跨导-温度特性以及在短路时能够自我限制电流的能力。这一发现不仅证明了GaN在功率半导体领域的巨大潜力，也为工程师们在面对短路挑战时提供了全新的解决方案。未来，随着GaN技术的不断成熟，必将在各种高功率高效率应用中扮演越来越重要的角色。