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英飞凌:SiC功率器件可靠性白皮书(9)- CoolSiC MOSFET的短路能力
2026-06-19 11:23
英飞凌:SiC功率器件可靠性白皮书(9)- CoolSiC MOSFET的短路能力

工业Si IGBT通常能扛10μs短路,SiC MOSFET却几乎没有或只有几μs的短路能力,这常被误读为SiC的"先天缺陷",但细究起来,某些IGBT(比如为软开关设计的)也扛不住短路,而且SiC MOSFET通过元胞设计优化(会牺牲RON),也能把短路性能提到IGBT的水平。

考虑到SiC MOSFET目前的主流应用根本不要求短路能力(或只需几μs),这个"短板"其实影响不大。

不过得提醒一句:增强短路能力会严重拖累RON。所以要不要在数据手册里承诺短路耐量,得慎之又慎,如果真要写,则必须确保量产器件电性能要达标,英飞凌的做法是出厂前100%全检。

客户常问:器件能扛几次短路事件?这不好一概而论,因为实际短路条件(杂散电感等)千差万别,解决这个问题的唯一途径是靠供应商和客户一起case by case进行评估。

下面解释Si IGBT和SiC MOSFET在短路行为上的差异,先从短路破坏机理说起。

典型的短路事件是这样的:器件两端挂着全额的DC总线电压,同时流过由负载阻抗和半导体输出特性决定的电流,所以,高压和大电流同时叠加导致器件内部功耗和热应力都很大。热破坏是核心瓶颈,实际观察到金属层熔化是其中的一个失效模式,整个过程持续微秒级。

SiC还有一些其他发现:比如器件在成功扛过了短路事件之后,栅极却短路了。IGBT有时也会遇到类似情况(应力脉冲后漏电流太大,后续引发热失控)。但基于英飞凌对SiC器件的现有经验和认知,这类失效模式在SiC中可以排除。

上面这句话感觉有点前后矛盾,推测作者本意是早期文献报道过这种现象,但英飞凌现在的量产SiC已经搞定了。

还有一个关键发现:短路时,SiC芯片内部温度比Si IGBT高得多,温度分布也不一样。原因在于SiC的峰值电流更高,SiC MOSFET 的峰值电流可以达到器件额定电流的10倍左右,而IGBT受益于饱和效应,仅约4倍(见图32)。

为什么SiC峰值电流这么高?因为SiC MOSFET为了做低RON,采用了短沟道设计以及限制JFET 效应。虽然后期电流会降到安全关断水平(图32虚线),但此时整体温度仍在爬升。

SiC MOSFET的短路时间和功耗集中在2-3μs,这么短的时间里,来不及用上整个芯片的散热能力,热量几乎全集中在靠近芯片表面的极薄漂移区、隔离氧化层和顶层金属里。

图33对比了这种情况:高压Si器件 (IGBT) 的峰值温度波动较小,且位于器件主体中;SiC则完全相反,温度高得多,且"贴"在表面。因此失效模式不同,SiC MOSFET需要采取其他缓解措施来调整短路行为。

英飞凌CoolSiCTM MOSFET产品目前标称3μs短路耐量,且封装级100%全检后出货。

降低SiC MOSFET短路峰值电流很重要,可以通过增强p-body区的JFET效应,或降低VGS来实现,但所有这些都会牺牲RON。因此,必须深入理解系统需求和行为,才能在器件级措施和系统级创新之间找到平衡,既应对短路事件,又保持SiC在正常工况下的卓越性能。

器件级措施:改芯片设计(增强JFET、调VGS阈值)

系统级创新:改电路/控制策略(快速检测、软关断、保护电路)

正确做法:双方坐下来,把应用场景、故障模式、成本约束摊开谈,找到帕累托最优。

本公众号内容基于英飞凌2025年10月发布的《英飞凌如何控制和保证基于SiC的功率半导体器件的可靠性白皮书》进行整理、分析与解读,版权归原作者所有,本文仅作学术交流与技术讨论,不构成对原文的实质性替代,详细内容请阅读原文,如有不当引用请联系删除。

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