場效應(yīng)晶體管(FET)在設(shè)計(jì)為400V-500V母線電壓的逆變器中具有吸引力，相比于硅絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或?qū)捊麕?WBG)替代品，它們提供了更優(yōu)的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。除了低損耗之外，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中的功率開關(guān)還必須具備短路保護(hù)，以便檢測并安全關(guān)斷，避免系統(tǒng)的災(zāi)難性故障。這些6mΩ/750V的SIC FET提供了5微秒的可用短路耐受時(shí)間。本文將討論這一特性的必要性，以及為什么這些第四代SiC FET在滿足這一需求時(shí)不妥協(xié)于RDS(on)。

　　引言

　　碳化硅(SiC)FET已經(jīng)在許多應(yīng)用中站穩(wěn)了腳跟，包括電動(dòng)車(EV)的車載和非車載充電、數(shù)據(jù)中心電源、太陽能逆變器等。預(yù)計(jì)碳化硅FET最大的增長領(lǐng)域?qū)⑹窃陔妱?dòng)車牽引逆變器中，這將提供更長的續(xù)航里程、更低的電池成本和更高的功率密度。SiC FET已在400V電池系統(tǒng)中推出， 在更高的母線電壓(500V或800V)下，其應(yīng)用案例甚至更具吸引力。這些系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器通常是3相、2級電壓源逆變器，工作頻率低于20kHz。在此應(yīng)用中，開關(guān)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗至關(guān)重要。SiC FET是很好的候選者，因?yàn)樗鼈儾淮嬖谙?改善輕負(fù)載效率)，且導(dǎo)通和開關(guān)損耗低。然而，直到現(xiàn)在，碳化硅開關(guān)選項(xiàng)在短路韌性方面尚未滿足應(yīng)用需求。本文將討論為什么UnitedSiC/Qorvo的第四代堆疊SiC FET是一個(gè)理想的候選者，在保持低導(dǎo)通電阻的同時(shí)，為設(shè)計(jì)人員提供可用的(最多5微秒)短路耐受時(shí)間。

　　短路韌性對于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中的功率半導(dǎo)體開關(guān)尤為重要，要求具備某種故障防護(hù)能力，允許系統(tǒng)檢測并安全關(guān)閉，避免災(zāi)難性系統(tǒng)故障。圖1展示了在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器系統(tǒng)中常見的各種短路故障。當(dāng)逆變器相腿發(fā)生穿透故障時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)經(jīng)歷直流母線的直接短路。如果相腿中的一個(gè)開關(guān)短路故障，而另一個(gè)開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)仍然有效，就會(huì)發(fā)生這種情況。或者，如果一個(gè)錯(cuò)誤信號(hào)從柵極驅(qū)動(dòng)器施加到相腿FET之一，穿透故障也可能發(fā)生。當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組絕緣失效時(shí)，相腿之間可能會(huì)發(fā)生短路。最后，相到地的故障可能發(fā)生在電動(dòng)機(jī)繞組絕緣失效的情況下，從而造成與電動(dòng)機(jī)外殼的短路。在這些故障模式中，功率半導(dǎo)體開關(guān)必須承受整個(gè)直流母線電壓的直接短路，或與相腿中的互補(bǔ)開關(guān)共同承受短路母線電壓。在這些嚴(yán)酷條件下，功率半導(dǎo)體元件通常會(huì)在微秒內(nèi)發(fā)生災(zāi)難性失效，使整個(gè)系統(tǒng)無法操作。

圖1

　　已經(jīng)提出了多種檢測短路的方法，但大多數(shù)都基于電流測量或開關(guān)的去飽和(de-saturation, deSat)檢測(即漏極到源極電壓或IGBT的集電極-發(fā)射極電壓)。圖2展示了相腿低側(cè)開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)deSat方法。使用快速高壓的deSat二極管，僅在開關(guān)導(dǎo)通期間進(jìn)行監(jiān)測。如果在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)上的電壓高于預(yù)期，則會(huì)觸發(fā)一個(gè)閾值(通常為7-9V)，指示過電流或短路事件。deSat信號(hào)的狀態(tài)用于關(guān)閉柵極驅(qū)動(dòng)器輸出，開關(guān)在災(zāi)難性失效之前被關(guān)斷。然而，必須注意防止deSat信號(hào)的誤觸發(fā)。采用一個(gè)消隱時(shí)間來過濾從開關(guān)開啟到達(dá)到其標(biāo)稱漏極-源極電壓的時(shí)間。此外，避免多余的deSat誤觸發(fā)通常包括對輸入進(jìn)行濾波(RC等)，以避免噪聲引起的觸發(fā)，這可能進(jìn)一步增加實(shí)際最小檢測時(shí)間。因此，在噪聲免疫性與短路檢測和關(guān)斷時(shí)間之間存在權(quán)衡。設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)這些約束在沒有幾微秒的假設(shè)續(xù)航能力的系統(tǒng)中難以實(shí)施。迄今為止，廣帶隙器件因其低導(dǎo)通電阻和較小的芯片尺寸，相比于其牽引IGBT對手的表現(xiàn)不佳，后者歷來提供超過10微秒的短路續(xù)航能力。然而，隨著硅IGBT不斷降低Vce(on)和開關(guān)損耗，加上改進(jìn)的柵驅(qū)動(dòng)器，短路續(xù)航能力的評級已降至10微秒以下。

圖2

　　與功率半導(dǎo)體開關(guān)相關(guān)的一些特性影響其處理短路故障的能力。為了理解這些特性，我們可以首先查看圖3中顯示的FET在短路條件下所經(jīng)歷的典型失效機(jī)制。在圖中，表示了一種類型1短路的典型I-V特性，母線電壓施加在器件上。在高di/dt部分，功率環(huán)路雜散電感的電壓下降導(dǎo)致在恒定電壓上出現(xiàn)小的跌落/過沖。在圖中，器件的短路電流(黑色曲線)快速增加，因?yàn)镕ET在導(dǎo)通狀態(tài)下的阻抗較低。在此階段，器件的結(jié)溫因瞬時(shí)功率過高而快速升高。隨著結(jié)溫和電流的上升，F(xiàn)ET最終達(dá)到電流飽和狀態(tài)，限制了峰值短路電流(Isc-peak)。高瞬時(shí)功率的耗散繼續(xù)加熱FET，短路電流因自熱效應(yīng)和飽和電流的下降而開始降低。

圖3

　　如果在柵極驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉FET通道之前，器件的結(jié)溫達(dá)到熱不穩(wěn)定水平，就可能發(fā)生失控事件，如圖3中的bubble1所示。在傳統(tǒng)的SiC MOSFET中，如果在高電場和高結(jié)溫下柵極氧化層破裂，也可能發(fā)生在關(guān)斷之前的失效。圖中所示的失效模式2表示FET關(guān)斷后的熱失控。在此模式下，器件在高溫下的漏電流(可超過600°C)可能導(dǎo)致熱失控，或鎖定器件內(nèi)部的寄生晶體管，造成災(zāi)難性失效。最后，在模式3中，器件能夠安全關(guān)斷短路故障，器件的結(jié)溫緩慢回到其標(biāo)稱運(yùn)行溫度。在高壓工作條件下的先進(jìn)SiC FET，其短路時(shí)間可視為一個(gè)絕熱過程。碳化硅的3-6倍較小芯片尺寸及其相關(guān)的熱容量降低，導(dǎo)致在相同短路能量下的溫度上升大于其硅基對手。

　　SiC FET提供突破性性能

　　根據(jù)圖3的討論，最佳的功率開關(guān)是能夠減少Isc-peak而不犧牲導(dǎo)通電阻，從而保持短路能量低、降低溫升并避免熱失控的開關(guān)。該開關(guān)還應(yīng)避免諸如柵氧化層破裂等次級失效模式，并避免任何寄生雙極晶體管的鎖定。雖然高溫下的p-n結(jié)漏電流是不可避免的，但最佳開關(guān)應(yīng)在溫度變化中保持足夠高的閾值電壓，以降低增加熱失控的通道漏電流分量。

　　這些特性在垂直SiC JFET中均有體現(xiàn)。SiC JFET在650V至2000V以上的技術(shù)中，提供最低的單位導(dǎo)通電阻，同時(shí)也提供良好的電流飽和。垂直JFET器件結(jié)構(gòu)在其主要漏電路徑(漏極-柵極)中沒有內(nèi)部寄生晶體管。在器件結(jié)構(gòu)中沒有柵氧化層，且閾值電壓與溫度的關(guān)系相比于Si或SiC MOSFET更加平坦。當(dāng)與低電壓Si MOSFET結(jié)合使用時(shí)，常閉式堆疊SiC FET在導(dǎo)通電阻與短路韌性之間提供了優(yōu)越的權(quán)衡。同時(shí)，還可以證明，在短路故障期間(長達(dá)10微秒)，熱量集中在SiC JFET中，而堆疊的低電壓Si MOSFET則不會(huì)出現(xiàn)顯著的溫升。圖4展示了在短路條件下SiC堆疊FET的電熱TCAD仿真。在10微秒內(nèi)，溫升(可超過700°C)主要集中在SiC JFET的本體和頂部金屬化層中。此時(shí)，Si MOSFET則保持在其最大結(jié)溫以下。因此，SiC JFET決定了SiC堆疊FET的短路能力。

圖4

　　UnitedSiC(現(xiàn)為Qorvo)利用其第四代SiC FET開發(fā)了這些特性。新推出的UJ4SC075006K4S產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)分立封裝中擁有行業(yè)最低的6mΩ導(dǎo)通電阻。該器件的電壓額定值為750V，為400V或500V母線應(yīng)用提供了充足的設(shè)計(jì)余量。超低的導(dǎo)通電阻(不到其最近競爭對手的一半)在提供用戶習(xí)慣于UnitedSiC FET的所有附加優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，如便捷的0-12V或0-15V柵極驅(qū)動(dòng)，出色的整流二極管，以及由較低器件電容(Coss)帶來的低開關(guān)損耗。

　　對于SiC功率開關(guān)而言，首次實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)固的短路性能，而無需犧牲成本或效率。這些750V額定的SiC JFET的特定導(dǎo)通電阻不到其650V SiC MOSFET競爭對手的1/3。UJ4SC075006K4S 750V/6mΩ SiC FET也設(shè)計(jì)了超過5微秒的可用短路耐受時(shí)間。圖5顯示了在400V母線電壓下，典型UJ4SC075006K4S SiC FET的類型1短路特性。當(dāng)起始結(jié)溫為25°C時(shí)，該器件在10微秒的短路后安全關(guān)斷，即使從器件的Tj,max=175°C起始，也能通過8微秒的短路測試。器件在5-10倍標(biāo)稱的電流飽和(在Tj,start=25°C時(shí)為800A，在Tj,start=175°C時(shí)為600A)，足以應(yīng)對過電流浪涌事件，同時(shí)又低到足以實(shí)現(xiàn)安全的短路耐受時(shí)間。

圖5

　　UJ4SC075006K4S可以在提供deSat保護(hù)的商用柵極驅(qū)動(dòng)器下安全關(guān)斷。在圖6中，我們展示了UJ4SC075006K4S在兩個(gè)開關(guān)位置的相腿短路。使用Analog Devices的商用(ADuM4136)柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行短路檢測和安全關(guān)斷，當(dāng)?shù)蛡?cè)開關(guān)的VDS超過deSat閾值(9.2V)并在312ns的消隱時(shí)間后發(fā)生。在測試中，短路電流峰值達(dá)到880A，隨后因器件的自熱效應(yīng)，故障電流在關(guān)斷前降低到約500A。deSat保護(hù)在2.7微秒內(nèi)安全關(guān)斷短路，遠(yuǎn)低于UJ4SC075006K4S的短路耐受時(shí)間評級5微秒。

　　結(jié)論

　　UnitedSiC(現(xiàn)為Qorvo)最近推出了行業(yè)最低導(dǎo)通電阻的750V、6mΩ SiC FET，利用其第四代技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性性能。得益于其內(nèi)部SiC JFET提供的優(yōu)越韌性，這款新FET為設(shè)計(jì)人員提供了可用的5微秒短路耐受時(shí)間，即使在高溫下，也無需犧牲導(dǎo)通電阻。新款UJ4SC075006K4S使設(shè)計(jì)人員能夠使用在標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器中找到的deSat保護(hù)，非常適合于400V或500V母線應(yīng)用。

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