xEV 應(yīng)用的應(yīng)用示例。由于 SiC 功率半導(dǎo)體在電動動力系統(tǒng)中的優(yōu)勢已得到證實，SiC 功率半導(dǎo)體作為下一代技術(shù)迅速引起人們的關(guān)注。與 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 的效率更高，可實現(xiàn)更長的行駛距離或更小的高壓電池，從而為消費者帶來好處。

　　ROHM自2012年獲得SiC AEC-Q101汽車標準資格以來，在SiC MOSFET方面取得了良好的業(yè)績，主要用于汽車充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器。ROHM 已于 2015 年推出了款基于溝槽的SiC MOSFET。工藝和現(xiàn)場設(shè)計方面的經(jīng)驗有助于創(chuàng)建一代，與上一代基于溝槽的 Rdson 降低了 40%。

　　圖 1. 平面與溝槽。圖片由 博多電力系統(tǒng)提供

　　ROHM 的第四代 SiC MOSFET 通過利用溝槽柵極結(jié)構(gòu)的先進技術(shù)實現(xiàn)單位面積的低導(dǎo)通電阻。同時，開關(guān)損耗的根源寄生電容也得到了降低。與第三代 SiC MOSFET 相比，這意味著漂移層電阻性能提高了 40%，開關(guān)損耗降低了 50%。尤其是，開關(guān)損耗占牽引逆變器應(yīng)用中 SiC MOSFET 產(chǎn)生損耗的 70% 以上，因此限度地減少開關(guān)損耗有助于顯著提高效率。

　　順便說一句，卓越的響應(yīng)可以實現(xiàn)更高的頻率操作，從而可以使用更小的散熱器、電容器和其他用于平滑電壓和電流波形的組件。由于這些組件的尺寸極大地影響了逆變器的尺寸，因此它們也有助于實現(xiàn)更大的小型化。SiC的耐高溫性也有利于小型化。與硅功率半導(dǎo)體相比，SiC能夠在超過100°C的溫度下保持穩(wěn)定的性能（實際上高達175°C，但封裝和布線無法承受），從而可以通過從水冷改為風(fēng)冷來簡化冷卻結(jié)構(gòu)，并降低散熱器的尺寸。

　　圖 2. 優(yōu)化的短路行為。圖片由 博多電力系統(tǒng)提供 

　　短路測試

　　ECPE 指南 AQG 324 描述了兩種應(yīng)在電源模塊級別上合格的短路場景 [AQG 324]：
　　1. 之前沒有電流流動時的短路，又稱短路類型 1
　　2. 負載下故障，又稱短路類型 2
　　由于與 Si-IGBT 相比，SiC MOSFET 具有較高的短路電流和較短的短路耐受時間，因此需要快速、的短路檢測方法。為此，[PCIM 22] 中介紹了使用傳統(tǒng)漏源監(jiān)測方法（又名 DESAT）的新開發(fā)電源模塊的實驗短路檢測和保護結(jié)果。
　　本次調(diào)查中使用的測試設(shè)備是用于電動動力總成應(yīng)用的電源模塊，配備了 ROHM 一代的 SiC 溝槽 MOSFET。
　　SC 的第四代期望
　　ROHM 的第四代 SiC MOSFET 在不影響耐用性和可靠性（短路承受時間）的情況下降低了損耗。與低電感電源模塊設(shè)計相結(jié)合，這為電動汽車牽引逆變器提供了理想的解決方案。
　　被測設(shè)備和測試設(shè)置
　　在德國維利希的 ROHM 電源實驗室中，對第四代進行了短路測試，并在 [PCIM 22] 上進行了展示。使用賽米控的電源模塊，并開發(fā)了基于 ROHM 柵極驅(qū)動器 BM6112（20A 輸出 DESAT 檢測和軟關(guān)斷）的柵極驅(qū)動器測試板來執(zhí)行測試。
　　被測器件（賽米控的 eMPack 模塊）配備了第四代 SiC MOSFET 芯片。它包括六個開關(guān)（三個半橋），專為汽車牽引逆變器開發(fā)[4]。半導(dǎo)體的阻斷電壓為 1200 V，模塊的額定電流為 780 A。通過創(chuàng)新的內(nèi)部組裝和直流母線電容器的連接方法，實現(xiàn)了極低的雜散電感。[PCIM 22]

　　為了檢測短路，使用了短路去飽和檢測（DESAT）方法。DESAT 觸發(fā)后，所謂的軟關(guān)閉 (ASTO) 用于快速安全地關(guān)閉設(shè)備。

　　圖 3.  eMPack 測試板 BM6112：“EMPACK6CHGD-EVK-301”，帶有 6 個用于 IGBT 和 SiC MOSFET 的 GDIC BM6112FV，Vgson/off：18V/0V。圖片由 博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]
　　檢測結(jié)果
　　在展示結(jié)果之前，我們想解釋一下柵極驅(qū)動器設(shè)置。即使 ROHM 第 4 代 SiC MOSFET 的設(shè)計能夠承受更高的短路耐受時間，我們還是根據(jù)市場典型要求定義了我們的目標。DESAT 檢測電路的市場趨勢是在 1.5-2μs 內(nèi)關(guān)閉短路。
　　根據(jù)定義，短路時間介于導(dǎo)通期間 ISC 的 10% 和關(guān)斷期間 IC 的 10% 之間。
　　一般來說，有兩個柵極驅(qū)動器設(shè)計標準在管理短路時間方面發(fā)揮著作用：
　　1. DESAT 檢測時間 目標：檢測速度和靈敏度之間的權(quán)衡 參數(shù)：R1、R2、R3、D1（圖 4，左）
　　2. 關(guān)閉斜坡：
　　目標：在關(guān)斷時間和寄生過壓之間進行權(quán)衡 L * di/dt
　　參數(shù)：ASTO 功能：檢測到 DESAT 后，R_PROOUT1 持續(xù)約 160ns，R_PROOUT 持續(xù)斜坡轉(zhuǎn)彎的其余時間（圖 4，右）
　　我們調(diào)整柵極驅(qū)動板（圖 3 和 4），方法是首先評估具有硬短路的 DESAT（如類型 1）。我們測試了不同的軟關(guān)閉場景：
　　STO：軟關(guān)斷（R_PROOUT1=10Ω，R_PROOUT2=開路）
　　ASTO：軟關(guān)閉
　　ASTO1：快速關(guān)斷（R_PROOUT1=10Ω，R_PROOUT2=1.2Ω）
　　ASTO2：優(yōu)化的 ASTO（R_PROOUT1=10Ω，R_PROOUT2=2.7Ω）

　　通過 ASTO1 設(shè)計，實現(xiàn)了短的 t SC 。然而，關(guān)斷時的峰值電壓為 1156V，這對于 1200V 額定功率設(shè)備來說安全裕度較低。

　　圖片由 博多電力系統(tǒng)提供 

　　圖 4. 上圖：BM6112 [數(shù)據(jù)表 BM6112] 中的 DESAT 檢測，下圖：ASTO [PCIM 2022]。圖片由 博多電力系統(tǒng)提供

　　圖片由 博多電力系統(tǒng)提供 

　　圖 5. 頂部：帶有 ASTO 2 的 SC 類型 1，底部：ASTO1 的結(jié)果：快速關(guān)閉，ASTO2：慢速關(guān)閉。圖片由 博多電力系統(tǒng)提供 [PDF]

　　通過 STO 和 ASTO2，過壓可以顯著降低至低于 60V 的過沖，從而具有非常好的安全裕度。傳統(tǒng)軟關(guān)斷 (STO) 的 SC 時間約為 2us，過壓為 56V。ASTO2 實現(xiàn)了更短的 SC 時間 (1.6us) 和與 STO 類似的過壓水平。使用 ASTO2 顯然有一個好處，因為 SC 時間和過電壓都不會受到影響，因此今后將用于本文中所示的進一步測量。

　　圖 6. 短路類型 1。所用圖像由 Bodo's Power Systems提供 

　　第二步是使用 ASTO2 評估溫度對 SC 1 型和 2 型的影響.

　　圖 7. 短路類型 2. 圖片由 Bodo's Power Systems提供 

　　調(diào)查目標：
　　溫度對的影響
　　td（DESAT 檢測時間）
　　 tsc（短路時間）
　　Esc（短路能量）
　　兩種 SC 情況下的短路都可以在 2us 內(nèi)關(guān)閉。柵極驅(qū)動器的檢測與溫度無關(guān)，SC 類型 I 在 870 ns 內(nèi)檢測，SC 類型 2 在 550 ns 內(nèi)檢測。對于 SC 類型 I，電源設(shè)備也在 1.7us 內(nèi)安全關(guān)閉；對于 SC 類型 2，電源設(shè)備在 1.3us 內(nèi)安全關(guān)閉。
　　結(jié)論
　　ROHM 一代 SiC MOSFET 在短路中表現(xiàn)非常出色。1200V MOSFET的短路電流約為被測器件額定電流的六倍。可以實現(xiàn)小于 2us 的目標 SC 時間，并且通過優(yōu)化的柵極驅(qū)??動器設(shè)計（DESAT 和 ASTO），關(guān)斷時的過壓也小于 60V。通過優(yōu)化的柵極驅(qū)??動器設(shè)計（使用 DESAT 和 ASTO），可以通過獲得低于 60V 的過壓峰值在 1.6μs 內(nèi)關(guān)閉短路。
　　賽米控 eMPack 中的 ROHM 第四代 SiC MOSFET 與 ROHM 柵極驅(qū)動器 BM6112 的組合專為汽車動力傳動系統(tǒng)應(yīng)用而開發(fā)，可為 xEV 設(shè)計帶來水平的性能和穩(wěn)健性。