SiC - MOS 和 IGBT：抗短路能力的专业对比分析

在以 IGBT 为主流的时代，抗短路能力是功率半导体器件的一项重要性能指标。通常而言，提及抗短路能力，器件要么具备该能力，表现出较强的耐受性，不易引发失效；要么则不具备。然而，SiC - MOS 给人的印象却并非如此 “皮实”，其鲁棒性往往难以让人完全放心。

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 一般具有较强的抗短路能力。无论是 IGBT 模块还是单管，在规格书中标注 5 - 10us 的抗短路能力较为常见。实际上，厂家在标注时往往预留了较大的裕量。对于驱动设计而言，这提供了充足的时间来实现退饱和保护。例如，对于具有 10us 抗短路能力的管子，可以设计 3us 的响应时间和 3us 的软关断时间，容错空间较大，所以我们对 IGBT 的抗短路能力比较有信心。

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。

图 1：IGBT 相关测试示意

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。

接下来对比 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。

图 2：SiC - MOS 与 IGBT 体积对比示意

实际情况更为严峻，SiC - MOS 短路时刻的温度分布比 IGBT 更为集中。这主要是因为 SiC - MOS 的漂移区更薄，发热分布更加集中。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，芯片内部最高温度可接近 400℃的本征失效临界温度，而 SiC - MOS 则能坚持到 600℃。然而，此时的瓶颈并非芯片内部温度，而是外部绑定与连接部的温度限制。当芯片表面温度过高时，会引起表面金属铝层的重建，导致性能退化甚至失效，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退化，甚至绑定线脱落。对于 SiC - MOS 而言，由于温度更高，即使短路时间仅为 1us，其短路工况对表面金属层的破坏也比 IGBT 严重，实现 10000 次的安全短路可能难以企及。再考虑到模块中多芯片并联的不一致性，就更难实现了。对于逆变器来说，SiC - MOS 功率半导体模块可靠可重复的短路能力在短期内可能难以达到。这就好比一个 200 斤的肌肉大汉，被踹一脚可能只是打个踉跄，连续踹几脚或许也无大碍；而一个 100 斤的瘦弱之人，被踹一脚可能半天都起不来，更不敢承受连环踢了。

除此之外，SiC - MOS 在短路工况下还存在其他问题。例如，在大电流工作时，电子隧穿加剧会导致阈值电压漂移，引起栅极氧化层退化。另外，还有一个可能存在的问题是双极退化。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。

图 3：相间短路示意

总结一下，在逆变器应用中，SiC - MOS 短期内难以达到 IGBT 那样的短路鲁棒性，并且还存在一些 IGBT 所没有的新问题。这些问题的根源在于 SiC - MOS 在短路时刻的饱和电流过大，由此带来了热问题、栅极氧化层退化问题以及可能的体二极管双极退化问题。如果能够降低其退饱和电流，这些问题或许有望得到解决。