SiC-MOS与IGBT抗短路能力对比

以下文章来源于IGBT应用，作者Tristans

在IGBT为主流的时代，提到抗短路能力，就是有或者没有。如果器件具备抗短路能力，那就是比较能抗，一般不容易引起失效。但是SiC-MOS给人的感觉就是不那么皮实，鲁棒性并没那么让人放心。

基本介绍

在逆变器应用中，短路是需要考虑和应对的一种工况，要求电力电子系统在短路情况下不发生失效损坏。无论是家用电动汽车中的逆变器还是通用变频器，都有可能在运行中的意外、机械系统故障，维护、修理过程中的人为操作失误等引起系统发生短路故障。因此要求功率半导体器件能扛得住短路工况。

传统的IGBT，一般抗短路能力较强，IGBT无论是模块还是单管，在规格书中标注5-10us的抗短路能力都是比较常见的。这么标注对于厂家而言也是包含了很大的裕量。对于驱动而言，这有足够的时间来设计退饱和保护。比如10us抗短路能力的管子，完全可以3us的响应时间，以及3us的软关断时间。容错空间很大，因此我们对IGBT的抗短路能力是比较放心的。

当然IGBT的抗短路能力也不是无限的，它会对器件造成非常大的应力，并导致一些损伤。项羽力大能抗鼎，天天举着那玩意他肯定倒下了。短路本质上是一种故障状态，既然是故障状态肯定不能是无限次发生的。比如英飞凌在规格书中会标注允许发生短路的次数。

IGBT实际的短路能力要远超这个数值的，大家都懂的，英飞凌规格书往往都是很保守的。比如觉大多是的英飞凌的规格书上关于短路能力的标注都是写短路电流而不是短路时间。像安森美的规格书的标法就比较直接。

英飞凌在其公众号中提到，早期做过的一个实验，4个1200V3600A的基于IGBT3技术的IGBT模块做的短路测试，短路脉冲10us，1/3Hz的频率下，4个模块的短路次数均超过10000次。

笔者在前司的时候评估系统短路能力可靠与否也是会让模块短路个10000次，以评估短路能力是否可靠。

SiC-MOS与IGBT抗短路能力对比

这边我们再来对比看看SiC-MOS的抗短路能力。SiC-MOS的抗短路能力比IGBT要弱得多。短路的失效本质上是热，即能量的时间积累。短路能量低，器件体积大，耐高温，都是增强短路能力的办法。同样1200V，额定电流100A左右的SiC-MOS的面积在20mm左右；而IGBT的面积会到达100mm左右。不考虑厚度的情况下，IGBT的体积比SiC-MOS大了5倍。同时，SiC-MOS的短路饱和电流也比较高，往往能达到额定电流的10倍，而IGBT一般在4倍左右。

因此在相同电路工况下，SiC-MOS的短路功率能达到IGBT的2倍以上，但是体积仅仅只有IGBT的1/5。因此简单算一下，单位体积下的SiC-MOS的功率密度是IGBT的10倍以上。

这是简单计算，实际情况比这个还要恶劣，SiC-MOS短路时刻温度分布比IGBT要集中。主要是SiC-MOS的漂移区更薄，发热分布更加集中，如下图所示。

所以SiC-MOS在短路时刻的功率密度一定会超过IGBT十倍以上，所以SiC-MO可耐受的短路时间短那是自然规律。如果IGBT可以可靠的耐受10us的短路时间，SiC-MOS相对可能只有1us不到。

IGBT短路时候，芯片内部最高温度可以接近400℃的本征失效临界温度。SiC-MOS则可以更高可以坚持到600℃。然而这时瓶颈不是芯片内部温度而是外部绑定与连接部的温度限制了，这时芯片表面温度会超过175℃。当芯片表面温度过高的时候，会引起表面金属铝层的重建，并导致性能退化以至于失效。这也是IGBT短路失效的主要原因。即多次短路后，铝金属层重建导致的退化甚至绑定线脱落。对于SiC-MOS而言，由于温度更高，即使1us的短路时间，其短路工况对表面金属层的破坏要比IGBT严重，10000次的安全短路可能是难以企及的。再考虑到模块中多芯片并联的不一致性，更加难以实现。对于逆变器而言，SiC-MOS功率半导体模块可靠可重复的短路能力可能是短期内难以企及的。这就好像一个200斤的肌肉大汉，你踹他一脚，他也就打个踉跄。你感觉连续踹个十脚八脚也不会有啥事。但是一个100斤的奶油小生，你踹他一脚，他半天才起来，你敢给他来个连环腿吗？

除此之外，SiC-MOS还有短路工况下的一些其他的问题，包括大电流工作时，电子隧穿加剧导致阈值电压漂移，引起栅极氧化层退化的问题。

还有一个问题笔者认为可能是一个问题，就是双极退化的问题。

相间短路时逆变器最常见的短路工况，当半桥结构的SiC-MOS发生相间短路的时候，电流一般会非常高，即使SiC-MOS能可靠的关断短路电流，对管的SiC-MOS一般处于关闭状态。这时候，就会有一个非常大的电流流过对管的体二极管。如下图所示，当V相上桥与W相下桥发生相间短路，并且V相上桥关断之后，V相下桥会续流，这时候，V相下桥的体二极管可能会流过额定电力10倍的电流。由于此时V相下桥是关闭状态，因此这个电流是流过体二极管的。由于上桥进行了短路关断，这个时候，系统会封闭PWM波，因此下桥的这个电流会一直从体二极管中流过直到自然换流结束。这个电流无论是大小，还是时间，对于双极退化而言是很严酷的，不过目前还没有看到对这个问题的研究。

总结

总结一下，SiC-MOS在逆变器应用中，短期内还是无法达到像IGBT那样的短路鲁棒性的，而且还会有在IGBT中没有的新的问题。这些问题的根源都是SiC-MOS在短路时刻的饱和电流太大了。带来了热的问题，栅极氧化层的退化的问题，以及可能的体二极管双极退化的问题。如果能把退饱和电流降下来呢，这些问题或许都将迎刃而解。