这些小活动你都参加了吗?快来围观一下吧!>>
电子产品世界 » 论坛首页 » 综合技术 » 基础知识 » 浅谈SiCMOSFET器件的短路耐受能力

共2条 1/1 1 跳转至

浅谈SiCMOSFET器件的短路耐受能力

高工
2025-09-03 08:52:28     打赏

SiC MOSFET器件的短路耐受能力,在高压和低压应用是有所不同的,在耐受时间上通常在‌2-7μs‌范围内。多数规格书标称的短路时间是供应商在评估器件初期,使用单管封装测试的,2-3μs;到模块封装,多芯片并联,搞个2μs差不多。与硅基器件相比,碳化硅器件的短路能力通常较弱。那这耐受时间够用吗?在多数应用场景下是足够‌,只是需要更懂的团队去用。

wKgZO2i2lYmAPCn3AACtFYv2G2I357.jpg

短路能量的密度不亚于这个场面,哈哈


1-短路失效的原因

热击穿。热点短路瞬间短路电流密度高达额定值(limited 500A/cm^2)的10倍,导致结温飙升,数微秒内把沟道/JFET 区域烧热点,引发芯片金属层熔融或栅极氧化层击穿,最终失效。

寄生BJT触发, 源极附近注入+高电流密度导致体二极管与P/N结构形成寄生三极管导通。

栅氧应力, 大电流+dv/dt 把栅氧置于高电场环境,尤其沟槽器件更敏感。

电感环路过冲, 封装/回路寄生L导致关断时Vds尖峰,叠加应力导致二次击穿。

wKgZO2i2lYmAGanUAAP1rkAUuDo810.jpg

不同封装下短路能力测试表现


2-短路能力限制因素:

2.1结温升高:短路期间,器件内部小范围内会产生大量的热,薄弱的cell最先发热,导致结温迅速升高。当温度超过器件的最大允许温度,就会导致器件失效;

2.2 温度分布不均:短路能量高度集中于器件正面区域(薄漂移层),导致金属层、栅极氧化物等承受极大热应力;

2.3 电场强度:短路时,器件内部的电场强度可能接近碳化硅材料的击穿电场,从而导致器件损坏;

2.4 栅极氧化层可靠性:栅氧是MOSFET器件中的薄弱环节,容易受到高温和高电场的影响而发生击穿。


3- 提升短路能力的方法:

3.1、芯片设计优化

元胞结构优化,通过减小JFET区宽度、降低单元密度或在源极引入电阻退化手段来降低Isc,短路能力通常更强,代价是Vds略高。

P+局部屏蔽/栅下P-shield :降低栅漏电容,抑制寄生BJT导通风险,减小栅氧边缘场强。

Kelvin源极:驱动回路与功率回路分离,抑制Miller注入,提升受控关断稳定性。

栅极可靠性设计,阈值电压控制在2.5–4V,避免过低导致误触发;集成栅极电阻抑制振荡,减少外部电路依赖。

确保等温等阻与对称布线的均流化时,更大结区/多芯片并联、

3.2、系统级保护增强:炸机前可靠检测并关断,Esc控制在器件可承受范围。

快速关断电路:DESAT设置很短的盲时(~200–400ns),搭配快恢复二极管;VDS实时监测+低容值滤波电容(<1nF)抑制噪声。适度降低 Vgs,on(例如从+18V降到+15V/+12V)与增大Rg能明显降低 Isc(代价是开通损耗/导通电阻上升)。

驱动负压关断 :关断电压从0V降至-2V~-5V,可降低关断损耗35–40%,同时抑制米勒效应。避免故障关断过程中寄生导通。

保护电路优化‌:采用快速响应方案(如去饱和检测或分流电阻检测),确保在2-3μs内关断器件;集成开尔文源极焊盘可提升响应精度。

3.3、 封装端的改善:Esc≈Vdc⋅Isc⋅tsc

散热路径优化:烧结银替代焊料,热阻降低30%;AMB替换DBC且材料均匀;确保温度传感器响应时间<热穿透时间。

金属系统强化,铜绑定线替代铝:载流能力提升2倍,延迟金属熔融,直接铜键合很难,可用DTS或solder clip互联降低热阻30%,和降低局部热集中,功率循环寿命提升3倍。

封装选型:低寄生布局如引线框架优化、引脚更短、引入引线并联),达成低感封装,减少关断过冲。


4-测试与验证方法

单脉冲SC-SOA测试 :两种典型短路,。

一类短路SC-I :栅极已导通,直连短路;

二类短路SC-II :开通瞬间直击短路(应力更大)。保证母线、占空、占空起始相位一致,可重复。

记录VDC、Isc、tSC、结温Tj。示波器要用差分探头与电流探头,带宽/接地方式可靠。

边界工况 :低温(电流更大)与高温(余量更小)都要测;最大母线电压、最大直流链路电感条件下测。

判据 :关断后漏电、Rds(on)漂移、栅漏电、波形是否出现振荡/再导通;必要时FA解封 SEM/OBIRCH 查热点。


5-总结

再厉害的器件也怕不会用,SIC MOSFET 的短路能力在芯片设计端的创新优化固然很重要,后端的封装设计、应用策略都对短路能力有着十分关键的影响。



院士
2025-09-03 16:59:21     打赏
2楼

学习了,谢谢分享。

希望有一种“保险丝电阻”的短路承受时间小于场效应管、电容、电感等元器件,用来保护电路板及元器件。


共2条 1/1 1 跳转至

回复

匿名不能发帖!请先 [ 登陆 注册 ]