经过严格测试,派恩杰SiC MOSFET短路能力已达世界一流水平

2021-07-06 派恩杰
SiC MOSFET,P3M12017K4,P3M12025K4,P3M06060K4 SiC MOSFET,P3M12017K4,P3M12025K4,P3M06060K4 SiC MOSFET,P3M12017K4,P3M12025K4,P3M06060K4 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,IDS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VDS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VDS = 800V,VGS = -3/15V,RGON = 8.2Ω,RGOFF = 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VDS = 800V,VGS = -5/20V ,RGON = 8.2Ω,RGOFF = 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VDS = 400V,VGS = -3/15V时的短路失效过程波形


图6和图7测试条件均为 VDS = 400V,VGS = -3/15V,RGON = 8.2Ω,RGOFF = 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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