英飛凌深度解析：CoolSiC? MOSFET 短路能力與失效模式

先看一組行業常見數據：

• 常規工業級 IGBT：短路耐受時間約為8~ 10 μs

• 普通 SiC MOSFET：大部分廠家沒有標注短路能力，僅英飛凌等少數廠家會標稱2~4μs的短路時間

IMZA120R030M1H數據手冊

但這不是 SiC 的先天缺陷！

1. 并非所有 IGBT 都有短路能力：專為高頻開關設計的 IGBT，同樣不具備短路耐受能力，比如英飛凌Trenchstop? H5/F5/H7系列。

2. SiC MOSFET可通過特殊單元結構設計，把短路耐受能力提升到接近 IGBT 水平。

3. 絕大多數 SiC MOSFET 目標應用，根本不需要長時短路耐受，幾微秒已足夠。

更關鍵的是：提升短路能力的方法在很大程度上是以犧牲導通電阻 R_{DS (on)}而實現的，因此器件廠商必須在 “短路穩健性” 與 “導通損耗” 之間做嚴格權衡，并且一旦在手冊中標定短路時間，就必須全流程管控量產一致性。

• IGBT：器件進行短路狀態后電流基本保持不變。在輸出特性曲線上，對應曲線后半段平坦區域，短路電流約額定電流 4 ~6倍。

• SiC MOSFET：SiC MOSFET為了實現超低導通電阻，往往采用短溝道設計，因此更容易受DIBL（漏致勢壘降低效應）的影響，故而線性區和和飽和區分界不明顯，飽和區電流依然在上升，短路電流可達額定電流的 10 倍（推薦閱讀：《SiC MOSFET的短溝道效應》）

• IGBT：熱量分布在器件體區，峰值溫度更低、熱容可有效利用。

• SiC MOSFET：SiC MOSFET漂移區厚度僅有同規格IGBT的約1/10，熱量高度集中在芯片表面、氧化層、頂層金屬，2–3 μs 內溫度就達到峰值，且峰值溫度大大高于IGBT。

綜合以上各種因素，SiC MOSFET為了達到極致的導通性能，在一定程度上犧牲了短路能力。

SiC MOSFET的短路過程可大致分為三個階段：

第一階段：漏極電流迅速上升，很快到達峰值。

• 4腳TO-247的驅動回路雜散電感小，電流上升得更快，峰值電流很高，超過300A。

• 3腳TO-247封裝功率回路中的雜散電感，di/dt產生的瞬時電壓對VGS產生負反饋，從而降低了開關速度，壓低了電流上升的數值。

在典型的短路事件中，直流母線電壓會加在器件兩端，同時，流過器件的電流由回路阻抗和半導體的輸出特性決定。因此，高電壓和高電流同時存在，會使器件產生極高的功耗和熱應力。因此，熱失效是限制短路承受能力的關鍵因素之一。

針對工業與車載等高可靠場景，英飛凌通過器件元胞結構優化與嚴苛測試，實現：

• CoolSiC? MOSFET 標稱短路耐受時間：G1單管3 μs，G2單管2μs。

• 所有產品出廠 100% 封裝級短路測試。

• 確保每一顆器件性能達標、一致性可控。

1.短路耐受時間短，不是 SiC 的缺陷，是性能取舍與應用定位決定的。

2.英飛凌 CoolSiC? 已通過結構設計優化與測試驗證保障，實現2~3 μs 穩定短路能力。

3. 實際應用優先系統級短路響應及保護，而非一味追求器件長時短路耐受。

4. 導通電阻與短路 robustness 的平衡，實現既好用、又可靠的器件，是英飛凌一貫的追求。