xEV 应用的应用示例。由于 SiC 功率半导体在电动动力系统中的优势已得到证实，SiC 功率半导体作为下一代技术迅速引起人们的关注。与 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 的效率更高，可实现更长的行驶距离或更小的高压电池，从而为消费者带来好处。
ROHM自2012年获得SiC AEC-Q101汽车标准资格以来，在SiC MOSFET方面取得了良好的业绩，主要用于汽车充电器和DC/DC转换器。ROHM 已于 2015 年推出了款基于沟槽的SiC MOSFET。工艺和现场设计方面的经验有助于创建一代，与上一代基于沟槽的 Rdson 降低了 40%。
图 1. 平面与沟槽。图片由 博多电力系统提供
ROHM 的第四代 SiC MOSFET 通过利用沟槽栅极结构的先进技术实现单位面积的低导通电阻。同时，开关损耗的根源寄生电容也得到了降低。与第三代 SiC MOSFET 相比，这意味着漂移层电阻性能提高了 40%，开关损耗降低了 50%。尤其是，开关损耗占牵引逆变器应用中 SiC MOSFET 产生损耗的 70% 以上，因此限度地减少开关损耗有助于显着提高效率。
顺便说一句，卓越的响应可以实现更高的频率操作，从而可以使用更小的散热器、电容器和其他用于平滑电压和电流波形的组件。由于这些组件的尺寸极大地影响了逆变器的尺寸，因此它们也有助于实现更大的小型化。SiC的耐高温性也有利于小型化。与硅功率半导体相比，SiC能够在超过100°C的温度下保持稳定的性能（实际上高达175°C，但封装和布线无法承受），从而可以通过从水冷改为风冷来简化冷却结构，并降低散热器的尺寸。
图 2. 优化的短路行为。图片由 博多电力系统提供
短路测试
ECPE 指南 AQG 324 描述了两种应在电源模块级别上合格的短路场景 [AQG 324]：
1. 之前没有电流流动时的短路，又称短路类型 1
2. 负载下故障，又称短路类型 2
由于与 Si-IGBT 相比，SiC MOSFET 具有较高的短路电流和较短的短路耐受时间，因此需要快速、的短路检测方法。为此，[PCIM 22] 中介绍了使用传统漏源监测方法（又名 DESAT）的新开发电源模块的实验短路检测和保护结果。
本次调查中使用的测试设备是用于电动动力总成应用的电源模块，配备了 ROHM 一代的 SiC 沟槽 MOSFET。
SC 的第四代期望
ROHM 的第四代 SiC MOSFET 在不影响耐用性和可靠性（短路承受时间）的情况下降低了损耗。与低电感电源模块设计相结合，这为电动汽车牵引逆变器提供了理想的解决方案。
被测设备和测试设置
在德国维利希的 ROHM 电源实验室中，对第四代进行了短路测试，并在 [PCIM 22] 上进行了展示。使用赛米控的电源模块，并开发了基于 ROHM 栅极驱动器 BM6112（20A 输出 DESAT 检测和软关断）的栅极驱动器测试板来执行测试。
被测器件（赛米控的 eMPack 模块）配备了第四代 SiC MOSFET 芯片。它包括六个开关（三个半桥），专为汽车牵引逆变器开发[4]。半导体的阻断电压为 1200 V，模块的额定电流为 780 A。通过创新的内部组装和直流母线电容器的连接方法，实现了极低的杂散电感。[PCIM 22]
为了检测短路，使用了短路去饱和检测（DESAT）方法。DESAT 触发后，所谓的软关闭 (ASTO) 用于快速安全地关闭设备。
图 3. eMPack 测试板 BM6112：“EMPACK6CHGD-EVK-301”，带有 6 个用于 IGBT 和 SiC MOSFET 的 GDIC BM6112FV，Vgson/off：18V/0V。图片由 博多电力系统提供 [PDF]
检测结果
在展示结果之前，我们想解释一下栅极驱动器设置。即使 ROHM 第 4 代 SiC MOSFET 的设计能够承受更高的短路耐受时间，我们还是根据市场典型要求定义了我们的目标。DESAT 检测电路的市场趋势是在 1.5-2μs 内关闭短路。
根据定义，短路时间介于导通期间 ISC 的 10% 和关断期间 IC 的 10% 之间。
一般来说，有两个栅极驱动器设计标准在管理短路时间方面发挥着作用：
1. DESAT 检测时间 目标：检测速度和灵敏度之间的权衡 参数：R1、R2、R3、D1（图 4，左）
2. 关闭斜坡：
目标：在关断时间和寄生过压之间进行权衡 L * di/dt
参数：ASTO 功能：检测到 DESAT 后，R_PROOUT1 持续约 160ns，R_PROOUT 持续斜坡转弯的其余时间（图 4，右）
我们调整栅极驱动板（图 3 和 4），方法是首先评估具有硬短路的 DESAT（如类型 1）。我们测试了不同的软关闭场景：
STO：软关断（R_PROOUT1=10Ω，R_PROOUT2=开路）
ASTO：软关闭
ASTO1：快速关断（R_PROOUT1=10Ω，R_PROOUT2=1.2Ω）
ASTO2：优化的 ASTO（R_PROOUT1=10Ω，R_PROOUT2=2.7Ω）
通过 ASTO1 设计，实现了短的 t SC 。然而，关断时的峰值电压为 1156V，这对于 1200V 额定功率设备来说安全裕度较低。
图片由 博多电力系统提供
图 4. 上图：BM6112 [数据表 BM6112] 中的 DESAT 检测，下图：ASTO [PCIM 2022]。图片由 博多电力系统提供
图片由 博多电力系统提供
图 5. 顶部：带有 ASTO 2 的 SC 类型 1，底部：ASTO1 的结果：快速关闭，ASTO2：慢速关闭。图片由 博多电力系统提供 [PDF]
通过 STO 和 ASTO2，过压可以显着降低至低于 60V 的过冲，从而具有非常好的安全裕度。传统软关断 (STO) 的 SC 时间约为 2us，过压为 56V。ASTO2 实现了更短的 SC 时间 (1.6us) 和与 STO 类似的过压水平。使用 ASTO2 显然有一个好处，因为 SC 时间和过电压都不会受到影响，因此今后将用于本文中所示的进一步测量。
图 6. 短路类型 1。所用图像由 Bodo's Power Systems提供
第二步是使用 ASTO2 评估温度对 SC 1 型和 2 型的影响.
图 7. 短路类型 2. 图片由 Bodo's Power Systems提供
调查目标：
温度对的影响
td（DESAT 检测时间）
tsc（短路时间）
Esc（短路能量）
两种 SC 情况下的短路都可以在 2us 内关闭。栅极驱动器的检测与温度无关，SC 类型 I 在 870 ns 内检测，SC 类型 2 在 550 ns 内检测。对于 SC 类型 I，电源设备也在 1.7us 内安全关闭；对于 SC 类型 2，电源设备在 1.3us 内安全关闭。
结论
ROHM 一代 SiC MOSFET 在短路中表现非常出色。1200V MOSFET的短路电流约为被测器件额定电流的六倍。可以实现小于 2us 的目标 SC 时间，并且通过优化的栅极驱??动器设计（DESAT 和 ASTO），关断时的过压也小于 60V。通过优化的栅极驱??动器设计（使用 DESAT 和 ASTO），可以通过获得低于 60V 的过压峰值在 1.6μs 内关闭短路。
赛米控 eMPack 中的 ROHM 第四代 SiC MOSFET 与 ROHM 栅极驱动器 BM6112 的组合专为汽车动力传动系统应用而开发，可为 xEV 设计带来水平的性能和稳健性。
