SiC功率開關管短路特性分析及保護綜述

徐克峰， 秦海鴻， 劉 清， 王 丹， 張 英， 戴衛力

(1. 南京航空航天大學 多電飛機電氣系統工業和信息化部重點實驗室，自動化學院， 南京 211106； 2. 河海大學 江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室，物聯網工程學院， 江蘇 常州 213022)

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SiC功率開關管短路特性分析及保護綜述

徐克峰1， 秦海鴻1， 劉 清1， 王 丹1， 張 英1， 戴衛力2

(1. 南京航空航天大學 多電飛機電氣系統工業和信息化部重點實驗室，自動化學院， 南京 211106； 2. 河海大學 江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室，物聯網工程學院， 江蘇 常州 213022)

為保證碳化硅(SiC)功率器件安全可靠工作，其中一個關鍵性問題就是功率器件的短路能力。介紹兩種短路故障，分析了短路電流變化機理，對3種典型商用SiC功率開關管(SiC MOSFET、SiC JFET和SiC BJT)的短路特性進行了對比分析，并對它們的短路檢測及保護方法進行了對比分析和歸納，最后進一步探討和總結了SiC開關管短路能力及短路保護中存在的問題。

碳化硅； 功率器件； 短路特性； 短路保護

與硅器件相比，碳化硅(Sillicon Carbide， SiC)器件具有通態電阻低、開關速度快、熱導率高等性能優勢，有利于提高變換器的效率和功率密度，在工業[2-3]、高溫高頻[4-8]、可再生能源發電等場合中已取得初步應用。然而，在實際應用中，功率器件不可避免地要工作在過載、短路等工作狀態下[10]，這就要求其必須具備一定的過載、短路能力。而與Si器件相比，SiC器件管芯面積小，電流密度大[11]，短路能力相對較弱，這給SiC基變換器可靠工作帶來了很大挑戰。因此，需要充分認識SiC器件的短路機理，揭示影響短路特性的關鍵因素，從而實施有效的保護，以保證SiC功率器件及SiC基變換器安全可靠工作。目前，商業化的SiC可控功率器件主要包括結型場效應晶體管(Junction Field Effect Transistor， JFET)、金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metal Oxide Semiconductor Junction Field Effect Transistor， MOSFETs)等單極型器件和雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor， BJTs)。雖然SiC BJT為雙極型器件，但是其開關特性、導通特性與單極型SiC器件有很多相似之處[12]。

許多研究工作者對SiC功率器件的短路特性進行了研究。文獻[13-15]中對不同柵極驅動電壓和直流母線電壓下SiC MOSFET的短路承受能力進行了研究，得出SiC MOSFET短路承受時間約為13～80μs，且隨著溫度升高，短路承受時間和臨界能量都隨之減小。文獻[16-21]中研究了SiC JFET的短路特性，相比于SiC MOSFET，SiC JFET短路承受能力更強，穩定性更好。400V 直流母線電壓下，SiC JFET短路承受時間超過1.4ms。文獻[22-23]中對SiC BJT的短路特性進行了研究，相比于單極型SiC功率器件，SiC BJT的短路承受時間為15～20μs。

為了使SiC器件及其功率變換器可靠工作，必須采取合適的短路保護設計方案。文獻[24]中對3種SiC MOSFET短路保護電路進行了研究。文獻[25]中給出了常通型SiC JFET保護方案，其保護時間小于100μs。文獻[26]中給出了一種適用于3種SiC功率器件的短路保護方案，并對SiC JFET進行了實驗驗證。

對SiC功率器件短路特性的研究有助于短路保護的設計，但目前的研究多是對實驗或仿真現象的表述，對短路電流變化機理的分析還不夠深入、全面。另外，對SiC功率器件短路方面的研究往往只是針對某一種SiC器件或是針對某一種器件的某一方面，缺乏系統性與完整性。本文針對已商業化的3種典型SiC可控器件，對其短路機理、特性及保護進行了較為全面的綜述；全面深入地分析了短路電流的變化機理，對比分析了短路特性，并對它們的短路檢測及保護方法進行了對比分析和歸納，最后對SiC開關管短路特性及保護進行了進一步探討，為研究SiC功率器件短路特性、設計短路保護和選擇器件提供一定的參考和依據。

1 短路電流變化機理

功率器件的短路故障模式可分為硬開關故障(Hard Switching Fault， HSF)和負載故障(Fault Under Load， FUL)兩種模式[27]。HSF是指在負載已短路的情況下，開關管開通時引發的故障；FUL是指在開關管完全導通時，負載突然短路而引發的故障。以SiC MOSFET為例，兩種短路故障模式典型波形如圖1所示，圖中，Uds為漏源極電壓，id為漏極電流，Ugs為柵源極電壓。

圖1 短路故障典型波形[18]

以HSF模式為例，對SiC器件短路特性及其工作過程進行分析。同樣以SiC MOSFET為例，HSF的典型短路波形如圖2所示。

圖2 SiC MOSFET硬開關故障典型短路特性波形

由圖可見，在HSF下，SiC MOSFET有4種工作模態：t1時刻之前，負載短路，此時SiC MOSFET處于截止狀態。

模態1[t1～t2] t1時刻，SiCMOSFET開通。由于主功率回路阻抗很小，流過SiCMOSFET的電流快速增大。di/dt作用于回路寄生電感，使開關管端電壓有所降低。此時，開關管工作區由截止區轉移到飽和區。該模態下，SiCMOSFET溝道載流子遷移率具有正溫度系數，短路電流持續增大。

模態2[t2～t3] 開關管仍工作在飽和區。由于開關管端電壓近似為直流母線電壓，且電流較大，SiCMOSFET自身功率損耗很大，開關管自發熱使結溫快速升高，降低了溝道載流子遷移率，導致流過SiCMOSFET的電流減小，di/dt呈現負斜率。

模態3[t3～t4] 結溫進一步升高，短路電流逐漸增大，di/dt呈現正斜率。這主要是因為SiCMOSFET溝道載流子電流減小的速率小于熱電離激發漏電流增大的速率。

模態4[t4～] t4時刻開關管關斷，短路電流逐漸減小到零。此后會出現兩種情況(見圖2)： ① 開關管安全可靠關斷；② 關斷后出現拖尾漏電流，導致開關管熱失控，發生故障。

t1～t4的短路臨界能量為

(1)

為進一步認識關斷后延時一段時間出現的開關管故障，建立了電熱模型和漏電流模型對其分析。

(1) 電熱模型。SiCMOSFET的電熱模型如圖3所示。

圖3 SiC MOSFET電熱模型

短路瞬態，直流母線電壓UDC直接加在功率器件兩端，則P耗盡層和N漂移層厚度分別為

(2)

(3)

式中，εs為4H-SiC材料的介電常數；q為電荷；Na、Nd分別為N漂移層和P耗盡層的摻雜濃度；xs、xd、xe分別為SiCMOSFET柵極、漏極、外殼的位置。

短路時功率器件內部的溫度分布T(x，y，z)為

(4)

式中，kp為熱導系數；ρ為材料密度；cp為比熱容；Q為短路瞬態的熱源。

由于熱通量主要沿著某一維度流動，即從管芯的上表層(源極金屬層)流向管殼，故式(4)可簡化為

(5)

由于管芯接觸材料和管殼的溫度變化很小，其溫度特性可看作常數。而開關管內部溫度變化很大[28]，故

(6)

cp(T)=925.65+0.3772T-

(7)

管芯內部熱源可表示為

(8)

式中，J(t)為短路電流密度；S為功率器件有源區面積；I(t)為短路電流；E(x)為空間電荷區的電場，

(9)

將式(8)、(9)和式(2)、(3)代入式(5)，可得

(10)

由式(10)可知： ① 直流母線電壓升高會導致功率器件結溫快速升高，若故障溫度不變，則功率器件短路承受時間會減小。② 更高的柵極驅動電壓或更大的溝道寬長比雖然會增大功率器件的電流密度，但是會降低其短路能力。由于SiCMOSFET溝道載流子遷移率低，其柵極驅動電壓(+18V～ +20V)比SiMOSFET柵極驅動電壓(+15V)高。UDC相同情況下，結溫上升的速度正比于電流密度。③ 通過并聯來增大器件的功率對故障溫度和短路承受時間沒有影響。

(2) 漏電流模型。由前述可知，器件故障與漏電流有關。現分別對熱激發電流、擴散電流和雪崩激發電流3種漏電流機理進行分析。

① 熱激發電流。由間接復合理論(Shockley-Read-Hall，SRH)可知[29]，熱激發電流可表示為

(11)

式中，ni為本征載流子濃度；τg為SRH激發壽命。

由式(11)可知，Ig_th與UDC、ni有關，Uds越高，Ig_th越大，而ni與溫度有關，

(12)

② 擴散電流。短路時，N漂移層和P耗盡層的少子會隨結溫的升高快速增加，這些少子在電場E(x)作用下穿過PN結擴散到漂移層和耗盡層，在低摻雜側產生一個與摻雜濃度正相關的飽和電流[30-32]，

(13)

式中，Lp、Ln為空穴、電子的少子擴散長度,

Dp、Dn為空穴、電子的擴散系數,

其中，k為波爾茲曼常數；μp、μn分別為4H-SiC外延層空穴遷移率、電子遷移率，

τp為P阱區空穴壽命；τn為N漂移層電子壽命；

μp0、μn0為T=300K時的空穴遷移率、電子遷移率；τp0、τn0為T=300K時空穴壽命、電子壽命。

③ 雪崩激發電流。短路瞬態，耗盡層的多子和熱激發的少子會在電場E(x)的作用下加速運動。若載流子的動能足夠大以致產生新的電子空穴對，則會產生額外的漏電流為

(αn|Jn|+αp|Jp|)

(14)

式中，Jn和Jp分別為電子和空穴電流密度；αn和αp分別為電子和空穴碰撞電離系數。

由于SiCMOSFET內部短路電流大部分由電子組成，故Jp可以忽略不計，即Jn=J。碰撞電離系數與電場、溫度有關，且SiC材料中空穴碰撞電離速率αp(T)遠大于電子碰撞電離速率αn(T)[33-34]，

αp(T)=(6.3×106-T×1.07×104)×

(15)

αn(T)=(1.6×105-T×2.67×102)×

(16)

由上述漏電流模型可得： ① 盡管SiC材料的ni較Si材料低得多，但是在高溫情況下，溫度對漏電流的影響不可忽略。② 由于短路時產生的熱量對ni有正反饋作用，因此，在整個短路過程中，熱激發電流處于主導地位。③ 高溫情況下，碰撞電離速率與溫度呈現負相關，雪崩激發電流可忽略不計。

2 短路特性

由于HSF模式下的檢測延時一般大于FUL下的檢測延時，對器件的考驗更為嚴峻，本文對3種商用SiC器件(SiC MOSFET、SiC JFET和SiC BJT)在HSF下的短路特性進行了分析和對比。

2.1 SiC MOSFET

短路特性測試中分別采用Cree公司的C2M0025120D型(1.2kV/90A)和Rohm公司的SCT2080KE型(1.2kV/40A)SiC MOSFET。測試中，短路脈沖寬度為500ns，正負向驅動電壓為+20V/-5V，驅動電阻為20Ω。

圖4所示為SiC MOSFET短路特性測試波形。SiC MOSFET開通后，其漏源極電壓下降幅度并不大，而流過SiC MOSFET的電流快速上升，且上升速度隨時間逐漸減小。短路特性測試數據如表1所示。

圖4 SiC MOSFET短路特性測試波形

表1 SiC MOSFET短路特性測試數據Tab.1 Testing results of short-circuit characteristics of SiC MOSFET

2.2 SiC JFET

在對SiC JFET短路測試中，采用了USCi公司的常通型SiC JFET，型號為UJN1205K，定額為1.2kV/38A。短路脈沖時間設置為250ns，驅動電路采用DRC驅動方案[35]，正、負向驅動電壓設置為0V/-30V。圖5所示為SiC JFET的短路特性測試波形。表2所示為SiC JFET的短路特性測試數據。

圖5 SiC JFET短路特性測試波形

表2 SiC JFET短路特性測試數據Tab.2 Testing results of short-circuit characteristics of SiC JFET

2.3 SiC BJT

由于SiC BJT是流控型器件，集電極電流受到基極電流和電流增益的制約，當基極電流一定時，集電極電流不會過大。圖6所示為Fairchild公司

圖6 SiC BJT短路特性測試波形

FSICBH017A120型，定額為1.2kV/50A的SiC BJT短路特性測試波形。其中，Ube為基射極電壓，Uce為集射極電壓，ic為集電極電流，ib為基極電流，Ib為SiC BJT完全導通時基極電流。短路脈沖時間設置為1μs。當Ib=1A 時，短路峰值電流約為80A;當Ib=0.5A時，短路峰值電流約為60A。表3所示為SiC BJT短路特性測試數據。

表3 SiC BJT短路特性測試數據Tab.3 Testing results of short-circuit characteristics of SiC BJT

由此可見，3種SiC可控器件中，SiC MOSFET短路承受能力最弱，而SiC JFET由于管芯尺寸較小，飽和電流密度具有負溫度系數，故其電流飽和更快，短路電流上升速度緩慢，短路能力高于SiC MOSFET。與壓控型SiC器件相比，SiC BJT具有較好的短路特性，在相同母線電壓下，其短路電流和電壓尖峰均比電壓型器件小得多。

3 短路保護

3.1 短路保護要求

基于對SiC器件的短路特性與機理分析，為確保SiC器件能夠安全可靠工作，其短路保護方法應滿足以下要求： ① 必須在SiC器件安全工作區范圍內關斷短路故障電流，以避免器件損壞；② 動態響應快，盡可能快地檢測并關斷故障回路；③ 具有抗干擾能力，避免保護電路誤觸發；④ 短路保護動作值可任意設置，具有一定的靈活性；⑤ 保護電路對SiC器件的性能無明顯影響；⑥ 具有限流功能，以降低SiC器件及電路中其他器件的電流應力；⑦ 短路檢測電路易與常用的驅動電路兼容；⑧ 電路結構應盡可能簡單，具有較好的性價比。

3.2 短路檢測方法

對短路故障進行快速可靠的檢測是保護電路的關鍵。目前，短路檢測的方法主要有以下幾種。

(1) 電阻檢測。電阻檢測是一種最為常見的短路故障檢測方法，使用時在負載電流回路中串入檢測電阻，通過檢測該電阻的端電壓來判斷電路是否發生短路故障。該方法的優點如下： ① 簡單，適用于過流、短路等故障檢測；② 檢測信號可用于模擬信號反饋。但是，該方法也存在一定的缺點： ① 損耗大；② 由于檢測電阻本身存在電感，動態響應慢；③ 不具有電氣隔離功能。

(2) 電流互感器。電流互感器也是一種較為常見的電流檢測方法，使用時使流過負載電流的導線或走線穿過電流互感器，進而在電流互感器輸出端輸出與負載電流成一定比例的感應電流。該方法的優點如下： ① 可精確檢測交流電流；② 具有電氣隔離功能；③ 檢測電路具有電流源性質，抗噪聲干擾能力強。但是，該方法也存在以下缺陷： ① 不利于檢測直流電流，若采用霍爾電流傳感器，則成本較高，且需額外的電源；② 為實現快速響應，互感器必須具有很寬的帶寬，設計較為復雜。

圖7 去飽和檢測原理圖

(3) 去飽和檢測。與上述兩種方法不同，去飽和檢測方法的核心思想是利用SiC器件的輸出特性，其電路原理示意圖如圖7所示。當電路正常工作時，由于SiC MOSFET導通壓降很小，二極管D1正向偏置，電容C1端電壓被鉗位到一個較低的值。一旦發生短路故障，SiC MOSFET端電壓快速升高，由于二極管D1仍處于正向偏置，故其陽極電位也隨之升高，導致電容C1兩端電壓升高。因此，通過實時檢測SiC器件的端電壓即可達到短路檢測的目的。該方法的優點是： ① 不需要電流檢測元件，損耗小；② 動態響應速度快；③ 適用性強，既適用于交流場合，又可用于直流場合；④ 成本低，易于集成。但是，該方法也存在一定的缺點： ① 檢測精度較低；② 不具有電氣隔離功能；③ 為避免開關管開通時保護電路誤觸發，電路必須具有一定的消隱時間。

(4) 寄生電感檢測。與去飽和檢測相似，寄生電感檢測法通過檢測SiC器件源極寄生電感的端電壓來獲取電流信息，其電路原理圖如圖8所示。當電路正常工作時，寄生電感的端電壓很小。一旦發生短路故障，寄生電感的端電壓會快速升高，通過實時檢測寄生電感的端電壓即可達到短路檢測的目的。與去飽和檢測技術相比，該方法的優點是： ① 動態響應更快；② 抗干擾能力強。但是，與去飽和檢測技術相似，該方法也存在如下缺點： ① 檢測精度較低；② 不具有電氣隔離功能。

圖8 寄生電感檢測原理圖

3.3 短路保護方法

檢測電路檢測到故障電流并實施保護時，一般有兩種方案進行電平比較，給出關斷信號： ① 采用比較器及其外圍電路；② 采用邏輯門和施密特觸發器相配合。

(1) 比較器方法。圖9所示為一種采用比較器的去飽和檢測短路保護電路原理圖。其基本原理如下： 當PWM信號為高電平時，RS觸發器復位，此時Q為低電平，驅動芯片正常工作，輸出柵極正向偏置電壓，SiC MOSFET開通。同時，柵極正向偏置電壓通過R1、R2給電容C1充電，但是由于SiC MOSFET導通壓降很小，檢測二極管D1正向偏置，C1上的電壓被鉗位到一個較低的值(小于參考電壓Uref)。

圖9 一種基于比較器的去飽和檢測短路保護電路原理圖

當發生短路故障時，SiC MOSFET端電壓迅速升高，檢測二極管D1陰極電位逐漸升高，由于二極管D1仍處于正向偏置，故其陽極電位也隨之升高，導致電容C1端電壓升高。當C1端電壓超過參考電壓時，比較器輸出高電平，Q變為高電平，驅動芯片停止工作，同時SiC MOSFET軟關斷。

正常情況下，當驅動信號為低電平時，觸發器狀態不變，Q仍為低電平，驅動芯片正常工作，輸出柵極負向偏置電壓，SiC MOSFET關斷。同時，C1通過R1、R2放電，最終變為柵極負向偏置電壓。由于此時C1端電壓低于參考電壓Uref，故保護電路并不工作。

圖10 一種基于邏輯門的去飽和檢測短路保護電路原理圖

(2) 邏輯門方法。比較器方法的缺點是抗干擾能力較弱。為提高抗干擾能力，可采用邏輯門和施密特觸發器的去飽和檢測短路保護電路，其原理圖如圖10所示。其基本原理如下： 當PWM信號為高電平時，由于D觸發器復位清零端為低電平，此時D為低電平，Enable為高電平，與門M3輸出與PWM信號一致，驅動芯片輸出正向偏置電壓，SiC MOSFET開通；由于SiC MOSFET導通壓降很小，D1正向偏置，R4上的電壓被鉗位到一個較低的值(小于Uref)。

當發生短路故障時，SiC MOSFET端電壓迅速升高，D1陰極電位逐漸升高，直至反向偏置，二極管不再具有鉗位功能。在電源Ucc作用下，R4上的電壓迅速升高，當其超過某一設定值時，施密特觸發器M4輸出高電平，即a為高電平。此時，時鐘輸入端(CLK)由低電平變為高電平，Q變為高電平，Enable為低電平，與門M3輸出低電平，則驅動芯片輸出負向偏置電壓，SiC MOSFET關斷。

在正常情況下，當驅動信號為低電平時，與門M1關斷，CLK一直為低電平，D觸發器狀態不變，Enable為高電平，驅動芯片輸出負向偏置電壓，SiC MOSFET關斷。

圖11 SiC MOSFET單管短路保護測試波形

3.4 短路保護測試3.4.1 SiC MOSFET 由上述分析可知，SiC MOSFET短路承受能力最弱，故在設計其短路保護驅動電路時，將短路誤觸發延時改為最小值，同時將開通和關斷時的驅動電阻均設置為20Ω。圖11給出了Cree公司和Rohm公司的SiC MOSFET單管短路保護測試波形。此時，短路檢測延時為180ns。同時，還對SiC MOSFET模塊(Cree公司的CAS100H12AM1型SiC MOSFET模塊，定額為1.2kV/100A)進行了測試，其短路檢測延時為200ns。表4列出了SiC MOSFET短路保護測試數據。

表4 SiC MOSFET短路保護測試數據Tab.4 Testing results of short-circuit protection for SiC MOSFET

與表1中數據相比，Cree公司的SiC MOSFET過電壓降低了25%，短路電流峰值減小了40%。過電壓降低是由于SiC MOSFET關斷時電流較小，而較低的短路峰值電流是由于其短路時間較短。對于Cree公司和Rohm公司的SiC MOSFET，該保護電路能夠在450ns內切除短路故障。

3.4.2 SiC JFET SiC JFET的保護電路設計和SiC MOSFET相似，只是驅動電路采用DRC網絡和-30V供電電壓。DRC網絡可以加速開通和關斷過程，而-30V驅動電壓可確保SiC JFET有效關斷。

圖12 SiC JFET短路保護測試波形

圖12給出了USCi公司常通型JFET短路保護測試波形。雖然DRC網絡加速了SiC JFET關斷過程，但其短路峰值電壓只有800V，并未超過其安全工作電壓范圍。SiC JFET開通后，短路電流在610ns內被切斷。表5給出了SiC JFET短路保護測試數據。

表5 SiC JFET短路保護測試數據Tab.5 Testing results of short-circuit protection for SiC JFET

3.4.3 SiC BJT 由于SiC BJT短路峰值電流小于單極型器件的短路峰值電流，在關斷短路電流時不會產生較大的關斷尖峰電壓，故在其短路保護電路的設計中不需要考慮關斷瞬態帶來的影響。但是，與SiC MOSFET、SiC JFET一樣，SiC BJT的短路保護電路仍需要高速短路檢測。

圖13為GeneSiC公司GA50JT12-247型(1.2kV/50A)和Fairchild公司FSICBH017A120型SiC BJT器件的短路保護測試波形，具體測試數據列于表6中。保護電路具有很好的抗噪聲干擾能力，可在100ns內動作，關斷SiC BJT。

圖13 SiC BJT短路保護測試波形

表6 SiC BJT短路保護測試結果Tab.6 Testing results of short-circuit protection for SiC BJT

保護電路應盡可能快地切除短路故障，以避免器件過熱而損壞。上述測試中，對于3種商用SiC器件，保護電路均能在600ns內切除短路故障。由于SiC MOSFET柵極氧化層對溫度較為敏感，短路時器件過熱會降低其氧化層的穩定性，嚴重時甚至損壞器件，因此，在設計短路保護電路時應充分考慮這一點。另外，由于SiC BJT本身具有一定的限流能力，短路承受能力較強，故其對保護電路的要求相對較低。

4 結 論

SiC功率器件的性能優勢有助于提高功率變換器的整機效率、功率密度和惡劣環境工作能力。但其大范圍應用仍必須解決應用現場可靠性等問題。本文針對SiC功率器件的短路承受能力這一關鍵問題，分析了SiC功率器件的短路機理，并結合目前3種已商業化的SiC可控器件，對其短路特性、短路檢測及保護方法進行了對比分析。

(1) 溫度升高，有助于降低SiC器件的電流應力，但同時使其短路承受時間大大減少。

(2) 對于單極型功率器件，SiC MOSFET短路時飽和電流密度減小速度比SiC JFET慢，導致SiC MOSFET溫度上升更快。更低的飽和速度使SiC MOSFET的電流密度比SiC JFET更大。因此，SiC MOSFET需承受最大的短路電流，同時在斷開短路電流時，SiC MOSFET需承受的過電壓最高。

(3) 對于雙極型功率器件，由于受電流增益β的限制，SiC BJT短路承受能力最強，穩定性最好。

(4) 與去飽和檢測方法相比，寄生電感電壓檢測方法故障響應更快，但由于寄生電感的壓降相對很小且對寄生參數的依賴性較大，保護電路參數設計較為困難。

(5) SiC MOSFET柵極氧化層界面穩定性與溫度密切相關，即使短路電流被斷開，但由于短路瞬態的熱量從漂移區傳遞到柵極氧化層，仍可能會導致SiC MOSFET柵極失控，損壞器件。因此,在設計短路保護電路時應充分考慮這一點。而SiC BJT因器件本身的特性，短路承受能力較強，對保護電路的要求相對較低。

(6) 隨著工藝的進步，雖然SiC MOSFET柵極氧化層界面穩定性有所提高，但是對于任何SiC功率器件，限制短路故障時間和故障電流無疑是保護器件、提高系統可靠性的最佳辦法。

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Review of Silicon Carbide Power Transistors:Short-Circuit Evaluation and Protection

XU Kefeng1， QIN Haihong1， LIU Qing1， WANG Dan1， ZHANG Ying1， DAI Weili2

(1. Center for More Electric Aircraft Power System， College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211106， China;2. Jiangsu Key Laboratory of Power Transmission and Distribution Equipment Technology,College of Internet of Things Engineering, Heihai University, Changzhou 213022, Jiangsu, China)

For silicon carbide (SiC) power devices, short-circuit protection capability is a key issue concerning reliability and safety of the devices. Two types of short-circuit faults are introduced, and their mechanism is analyzed in detail. Characteristics of three typical SiC power devices including SiC MOSFET, SiC JFET and SiC BJT are analyzed and compared under short-circuit conditions. Short-circuit detection and protection for these three devices are compared and summarized. Finally, short-circuit capability of SiC power devices and protection problems are discussed.

silicon carbide(SiC); power device; short-circuit characteristics; short-circuit protection

2016 -07 -09

國家自然科學基金項目資助(51277095)；教育部博士點基金項目資助(20123218120017)；中央高校基本科研業務費專項資金項目資助(NS2015039，NS20160047)；江蘇高校優勢學科建設工程項目資助

徐克峰(1991 -)，男，碩士生，主要研究方向為碳化硅功率器件應用技術、功率變換技術， E-mail： 920559809@qq.com

2095 - 0020(2016)05 -0259 - 12

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