淺談SiC MOSFET芯片的短路能力

SiC MOSFET芯片的短路能力是非常差的，目前大部分都不承諾短路能力，有少數(shù)在數(shù)據(jù)手冊(cè)上標(biāo)明短路能力的幾家，也通常把短路耐受時(shí)間（SCWT：short circuit withstand time）限制在3us內(nèi)。

這個(gè)相比Si基IGBT動(dòng)輒6us甚至10us的時(shí)間，降低了很多，最近看了一些資料，嘗試著理解一下。

從最基本的邏輯出發(fā)，芯片發(fā)熱是芯片內(nèi)部的電流做功引起的，因此主要考慮電流和芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

先看Si IGBT模塊的結(jié)構(gòu)：

我們可以看到，一顆IGBT芯片焊接在DBC襯板上，芯片底部是集電極（Collector），和散熱的銅連接，頂部是發(fā)射極（Emitter），和鍵合線相連（圖中未畫出），電流方向從C到E。

我們都知道，IGBT工作的時(shí)候，本來(lái)電阻較高的N-漂移層，由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，載流子被注入，這就導(dǎo)致N-漂移層的電導(dǎo)率很高，因此大電流流過(guò)這個(gè)區(qū)域的時(shí)候，壓降ΔV drift很小，此區(qū)域的發(fā)熱功耗P=ΔV×I就很小，因此在N-區(qū)不會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。

IGBT的壓降主要是來(lái)自哪里？其實(shí)主要是襯底的P到N這個(gè)場(chǎng)截止層，從下圖的紅色電場(chǎng)分布看得出來(lái)，電場(chǎng)主要是由靠近集電極的PN結(jié)來(lái)承受。

根據(jù)發(fā)熱功率P=ΔV×I，這個(gè)ΔV很大，因此這個(gè)P很大，發(fā)熱主要是靠近IGBT芯片底部的集電極。

再看第一張圖，IGBT芯片底部，那不正好是散熱的覆銅板嗎？所以這個(gè)熱可以很快擴(kuò)散，相對(duì)來(lái)說(shuō)容易散出去。

再看SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)：

大家不要被這張圖騙了，圖是對(duì)的，但是下面那個(gè)N+SUBSTRATE厚度比例不對(duì)，圖中N-DRIFT層的厚度是10um，而N+SUBSTRATE的厚度，是200um左右！

MOS結(jié)構(gòu)就很簡(jiǎn)單了，導(dǎo)通的時(shí)候沒(méi)有PN結(jié)，是通過(guò)MOS溝道導(dǎo)電的，因此，哪個(gè)地方發(fā)熱嚴(yán)重完全取決于哪個(gè)地方的電阻大！

直接上圖（感謝Anant Agarwal教授的資料）

可以看到，溝道電阻和外延層占比遙遙領(lǐng)先！根據(jù)最簡(jiǎn)單的安培定理

可以得出，SiC MOSFET芯片發(fā)熱最嚴(yán)重的區(qū)域是MOS溝道和外延層，也就是芯片的頂部區(qū)域！

對(duì)于溝槽SiC來(lái)說(shuō)也差不多，因?yàn)闇喜跾iC電阻最大的區(qū)域是外延層，也靠近芯片的頂部。

這下就不太好搞了，因?yàn)樯岚逶谛酒撞?，但是發(fā)熱集中在芯片頂部，因此SiC MOSFET芯片短路時(shí)的散熱天然要差一些，畢竟導(dǎo)熱銅襯板離熱源還有點(diǎn)遠(yuǎn)。

當(dāng)然，不能完全只看壓降和電阻，Si IGBT和SiC MOSFET芯片本身的尺寸以及電流大小也要看的。

上圖是英飛凌做的一個(gè)對(duì)比，我們簡(jiǎn)單算一下，一個(gè)標(biāo)稱300A的IGBT芯片，尺寸10mm×10mm，短路電流差不多2000A。

一個(gè)標(biāo)稱120A的SiC MOSFET芯片，尺寸5×5mm，短路電流差不多1200A來(lái)算。

IGBT短路電流密度：2000/100=20A/mm2

SiC MOSFET短路電流密度：1200/25=48A/mm2

僅僅是電流密度大了2.5倍，再加上發(fā)熱位置是芯片散熱較差的頂部，SiC 芯片短路能力比IGBT差也是情理之中。

如圖，可以看到，大部分發(fā)熱集中在SiC MOSFET芯片頂部。

圖源：英飛凌

再看看IGBT的溫度分布，就要均勻很多。