经过严格测试，派恩杰SiC MOSFET短路能力已达世界一流水平

时间： 2021-07-06 来源：派恩杰

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SiC MOSFET,P3M12017K4,P3M12025K4,P3M06060K4

SiC MOSFET具有低损耗、耐高压、导通电流大、开关速度快和温度稳定性好等优点，在电动汽车、铁路、风力发电、光伏逆变器、柔性直流输电等商用领域均得到应用。而随着SiC MOSFET应用场景进一步拓宽，所面对的工况也日益复杂，可能面对过流乃至更极端的短路的挑战。器件的短路耐受能力直接决定了对故障保护和预防器件失效的设计，所以进行测试是十分必要且重要的。

短路故障类型

依据短路故障发生的位置以及短路时器件的工作状态可以将SiC MOSFET短路故障分为三类：

I类短路：此短路类型也被称为硬开关故障（Hard Switching Fault, HSF）。该型短路发生在因误开通导致的电路桥臂直通等电路中，如图1（a）所示。此时的短路回路中电阻较小，寄生电感较小，短路电流上升速度很快，瞬时热量积累很大。

II类短路：该短路类型也被称为带负载短路（Full Under Load, FUL）。此类短路故障是由器件正常导通时负载故障导致的，如图1（b）所示。由于短路回路路径较长，电感较大，电流上升过程相对I类短路较慢。短路故障发生后，漏源电压迅速由导通压降上升至高压状态，这会使得栅源电流增加，此类短路故障下电流的峰值一般高于HSF的电流峰值。

III类短路：此类短路故障发生在SiC MOSFET运行在第三象限时负载端发生短路，待测器件工作状态由第三象限快速转向第一象限，如图1（c）所示。此类短路故障的特征与II类短路类型较为相似，考虑了体二极管的反向恢复过程。

三种短路类型中，以I类短路的瞬时能量累积最大，因此通常将此类短路故障实验作为SiC MOSFET短路失效的分析方法。在各种短路故障中能够保持功能（不失效）并可靠关断的时间就是短路耐受时间。该短路测试电路与IGBT的HSF短路测试电路十分接近，下图为IEC 60747-9 Ed. 3.0 b中IGBT短路测试原理图，SiC MOSFET短路测试只需要把IGBT换成目标器件即可。

SiC MOSFET作为IGBT的替代方案人们自然会将二者进行对比，就短路耐受能力而言，IGBT一般能达到10.0μs，而SiC MOSFET只有几个μs的短路耐受时间。但是，在温度稳定性更高、电压更高、效率更高以及频率更高等目标应用场景， SiC MOSFET只要在保护电路生效前的数个μs能够保证性能稳定，即可投入实际的使用。

图3所示的是SiC MOSFET的I类短路测试的典型波形。在t₀~t₁时，器件开通，负载的供电电压加载在器件漏极和源极上，随着沟道逐渐开通，I_DS快速增大，并且达到饱和电流（t₂时刻），而此时巨大电流引起热量快速积累，导致反型层载流子迁移率下降，电流逐渐变小（对应图中t₂~t₃之间）。在t₃~t₄时，随着栅极的关断，电流迅速下降。电压V_DS的开通和关断瞬间的尖峰是大电流下电感吸收及释放的电压产生的。

测试结果

为了测试SiC MOSFET的短路耐受能力，派恩杰团队自主研发设计了低杂散电感、低寄生参数、强驱动能力的短路测试平台。

本文的测试器件为派恩杰TO-247-4封装SiC MOSFET的P3M12017K4（1200V17mΩ产品）、 P3M12025K4（1200V25mΩ产品）、 P3M06060K4（650V60mΩ产品）以及C公司的650V60mΩ产品。

图4为派恩杰P3M12025K4产品在V_DS = 800V，V_GS = -3/15V，R_GON= 8.2Ω，R_GOFF= 7.5Ω，TC = 25℃测试条件下，3.4μs的短路时间下仍能保持正常开关，在短路时间为3.5μs时器件失效。

测试结果如图5所示，派恩杰P3M12017K4产品在V_DS = 800V，V_GS = -5/20V ，R_GON= 8.2Ω，R_GOFF= 7.5Ω，TC = 25℃测试条件下，3.4μs的短路时间下能保持正常开关，在短路时间为3.6μs时器件失效。

测试波形结果表明，派恩杰P3M12025K4（1200V25mΩ产品）和P3M12017K4（1200V17mΩ产品）的短路耐受时间均超过3.0μs，满足用于SiC MOSFET实际应用场景的条件。

图7：C公司650V60mΩ产品V_DS= 400V，V_GS= -3/15V时的短路失效过程波形

图6和图7测试条件均为 V_DS = 400V，V_GS = -3/15V，R_GON= 8.2Ω，R_GOFF= 7.5Ω，TC = 25℃。

从测试结果中可以得到：

1、派恩杰P3M06060K4产品栅氧绝缘性在短路时间达到5.8μs之后才出现不可恢复的损坏（图6上方波形图），要优于C公司的650V60mΩ产品的5.0（图7上方波形图）；

2、该组实验中二者完全失效的时间及形式较为接近，均在7.0μs左右；

3、派恩杰P3M06060K4产品较C公司650V60mΩ产品更容易完全关断。

由测试结果可知，派恩杰P3M06060K4产品短路能力已经达到650V60mΩ档产品的国际一流水平，并且该型产品关断条件要更易达到，这有利于电路设计。

结论

测试表明，派恩杰短路测试平台稳定可靠。派恩杰的SiC MOSFET中 P3M12017K4（1200V17mΩ产品）和P3M12025K4（1200V25mΩ产品）的短路能力已经达到了实际应用电路的使用要求，P3M06060K4（650V60mΩ产品）的短路能力更是达到了世界一流水平。

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