昕课堂丨一文了解SiC MOSFET鲁棒性原理

在绝大多数电力电子应用中，功率器件主要用于导通和截止状态之间的切换，为了获得最佳效率，需要降低开关损耗，并且减少过冲情况[1]。针对安全工作区（SOA）的功率器件工作状态示意图如图1所示。导通和截止状态之间的转换可以遵循各种轨迹进行，目的是根据需要来调整开关性能，例如软开关技术和谐振变换。但是，在实际应用中，器件还需要安全地承受许多在SOA以外的瞬时情况，例如非钳位感性负载开关（UIS）和短路（short circuit）。

图1  功率器件工作状态简图

短路（SC）与非钳位感性负载开关（UIS）失效的基本原理

1. 短路（SC）失效的基本原理

与以前的Si基IGBT相比，SiC MOSFET拥有更低的导通电阻、更高的阻断电压和工作结温，并且在关断过程中SiC MOSFET几乎没有拖尾电流，这可以降低开关损耗，提高开关速度，更快的开关速度意味着更大的du/dt电压变化率[2-4]。当器件导通时，同一桥臂中施加在互补器件上的du/dt将会非常高，Miller电容放电会在栅电阻上产生压降。如果电压超过了阈值电压，原本关断的互补器件将产生误导通，从而导致上下桥臂发生直通。功率器件的短路故障模式可分为两种，分别是硬开关短路（Hard Switching Fault，HSF），以及带负载短路（Fault Under Load，FUL）。HSF是指在负载已经短路的情况下，开关管开启时引发的故障；FUL是指在开关管完全导通时，负载突然短路而引发的故障[5]。由于硬开关故障下，SiC MOSFET功率损耗更大，发热更严重，对器件的考验更为严峻，所以在此对SiC MOSFET的硬开关故障进行原理分析。在硬开关短路模式下SiC MOSFET短路特性测试原理图如图2所示。

图2  硬开关短路模式下短路特性测试原理图

SiC MOSFET短路过程示意图如图3所示：

图3  SiC MOSFET短路过程示意图

 1   时间段1（t1~t2）：t1时刻，SiC MOSFET导通，母线电压经短路电感直接施加在DUT两端，测试电路的主回路上只存在很小的阻抗，致使SiC MOSFET电流迅速上升。尽管DUT漏源极两端电压会由于寄生电感的因素出现略微降低，但是由于大电流，DUT将由截止区进入到饱和区。该状态下，器件的沟道载流子迁移率与温度成正相关，致使短路电流持续增大。

 2   时间段2（t2~t3）：在此时间段，DUT工作在饱和区。由于DUT的漏极-源极电压约为DC总线电压，并且此时的短路电流较大，因此DUT的功率损耗较大，器件的结温迅速升高，并且沟道载流子迁移率降低 ，最终致使流过SiC MOSFET的电流减小，di/dt呈现负斜率。

 3   时间段3（t3~t4）：在此时间段，由于温度升高，器件通过沟道的电流将小于热电离激发的电流，导致短路电流出现正反馈，器件结温进一步升高。

 4   时间段4（t4~）：t4时刻，DUT进入关断状态,短路电流也随之减小到零，器件可能会呈现出两种状态：①短路时间在SOA范围内，DUT安全地被关断，漏极电流逐渐减小到零；②短路能量ESC超过器件的最大耐受能量，导致待测器件发生热崩。

实验过程中，在t4时刻，如果器件仍然正常关断，则继续增加脉冲持续时间tp直至器件发生短路失效，我们可以认为时刻t1到t4驱动信号持续的时间即为短路耐受时间tsc:

如果器件在t4时刻关断以后发生失效，则可以定义在t1~t4时间内器件产生的能量为最大短路耐受能量：

2. UIS失效的基本原理

与短路一样，UIS失效也是功率MOSFET主要的安全问题之一。UIS失效往往可以看作是MOSFET中的寄生体二极管发生了雪崩击穿，从而导致反向泄露电流迅速增加，致使器件的结温超过热击穿的临界温度。功率MOSFET的UIS测试根据美军标MIL-STD-750C/3470的标准进行实施，UIS测试原理图如图4所示。

图4  UIS测试原理图

单次UIS测试典型波形图如图5所示，Ugs是栅极电压，Ids是漏源电流，Uds是DUT的漏源电压。输入宽度为tp的脉冲信号到DUT的栅极使其导通，此时高压电源在电源电压的作用下为电感线圈进行充电。当导通电流升高至器件的峰值电流时，DUT将被关断。由于电感电流不能突然改变，因此电感电流在开关瞬间将保持原来的大小和方向，导通回路将通过续流二极管继续导通。此时，电感器线圈中快速变化的电流将线圈两端产生的所有感应电动势施加在DUT，迫使DUT短暂地进入雪崩击穿状态。当脉冲时间短时，DUT的工作状态是可以恢复的，在图中以实线显示。当增加脉冲时间的宽度后，电流大于一定值时，SiC MOSFET器件将被完全损坏，在图中以虚线表示。一般来说，SiC MOFETS器件的单脉冲UIS压力极限能力的衡量指标用最大雪崩击穿耐受能量来代替，即在使用手册中常用的EAS参数。从电路的工作过程中，可知EAS是电感器存储的能量。选取需要的电感量后，EAS的大小将由流过器件的峰值电流确定：

图5  单次UIS测试典型波形图

昕感科技基于车规平台推出的1200V SiC MOSFET系列产品拥有优异的鲁棒性。在800V母线电压条件下短路耐受时间达到3μs，可以为系统提供充分的反应时间，提升了系统的可靠性。昕感产品同样拥有优秀的最大雪崩击穿耐受能量EAS ，以昕感可以最新推出的TO247-4L PLUS封装N2M120007PP11 1200V/7mΩ产品为例，N2M120007PP11在L=1mH, VDD=50V条件下，EAS能量达到6J以上。

参考文献

[1]  MAXIME B, REMY O, THIBAULT C, et al. Electrical performances and reliability of commercial SiC MOSFETs at high temperature and in SC conditions [C] // EPE'15 ECCE-Europe. Geneva,Switzerland. 2015: 1-9.

[2]  王学梅. 宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用 [J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(3): 371-379．

[3]  BIELA J, SCHWEIZER M, WAFFLER S, et al．SiC versus Si-Evaluation of potentials for performance improvement of inverter and DC-DC converter systems by SiC power semiconductors [J]. IEEE Trans Ind Elec, 2011, 58(7): 2872-2882． 

[4]  ALEXAKIS P, ALATISE O, HU J, et al. Improved electrothermal ruggedness in SiC MOSFETs compared with silicon IGBTs [J]. IEEE Trans Elec Dev, 2014, 61(7): 2278-2286．

[5] 徐克峰, 秦海鸿, 刘清, 等. SiC功率开关管短路特性分析及保护综述 [J]. 上海电机学院学报, 2016(19): 259-270.