引語

能效和可靠性是所有電子功率變換器必備的主要特性。在與人類社會(huì)活動(dòng)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，例如，交通、工業(yè)、能源轉(zhuǎn)換等，標(biāo)準(zhǔn)硅基功率開關(guān)管已被SiC MOSFET取代，因?yàn)?SiC MOSFET在電流密度/芯片面積、擊穿電壓、開關(guān)頻率、工作溫度方面表現(xiàn)更出色，可縮減功率變換器的體積和尺寸，同時(shí)提高能效［1］，［2］。

采用最新一代SiC MOSFET設(shè)計(jì)功率變換器應(yīng)該認(rèn)真考慮器件的可靠性和魯棒性，避免讓異常失效現(xiàn)象破壞系統(tǒng)的整體安全性［3］，［4］。短路和雪崩是可能導(dǎo)致電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)管嚴(yán)重失效的異常事件［5］，［6］。

短路事件可能是錯(cuò)誤和失控的工作條件引起的，例如，器件開關(guān)順序命令出錯(cuò)。當(dāng)漏源電壓VDS超過擊穿電壓額定值時(shí)，會(huì)發(fā)生雪崩事件［7］。

對(duì)于dvDS/dt 和 diD/dt變化率很高的應(yīng)用，在開關(guān)瞬變期間，VDS可能會(huì)超過擊穿電壓額定值。高瞬變率結(jié)合變換器布局固有的寄生電感，將會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，在極端情況下，導(dǎo)致雪崩事件發(fā)生［7］，［14］，［16］。SiC MOSFET可能會(huì)出現(xiàn)這些工作條件，分立器件的dvDS/dt可能輕松超過100V/ns，diD/dt超過10A/ns［1］，［21］ 。

另一方面，電機(jī)功率變換器也是一個(gè)值得關(guān)注的重點(diǎn)，例如，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆變器、工業(yè)伺服電機(jī)等，這些應(yīng)用的負(fù)載具有典型的電感特性，要求功率開關(guān)還必須兼?zhèn)淅m(xù)流二極管的功能。因此，在二極管關(guān)斷時(shí)，其余器件將傳導(dǎo)負(fù)載電流，進(jìn)行非鉗位感性負(fù)載開關(guān)UIS操作，工作于雪崩狀態(tài)是無法避免的［13］。在這種雪崩期間，除過電壓非常高之外，高耗散能量也是一個(gè)需要考慮的重要問題，因?yàn)槠骷仨毮褪墚惓５碾妷汉碗娏髦怠?/p>

采用失效檢測算法和保護(hù)系統(tǒng)，配合同樣基于“可靠性”標(biāo)準(zhǔn)的變換器設(shè)計(jì)方法，是很有必要的［20］。但是，除了安全保護(hù)和最佳設(shè)計(jì)規(guī)則外，功率開關(guān)管還必須強(qiáng)健結(jié)實(shí)，即具有“魯棒性”，才能耐受某種程度的異常工作條件，因?yàn)榧幢愠焖贆z測算法和保護(hù)系統(tǒng)也無法立即發(fā)揮作用［19］。SiC MOSFET的雪崩問題已成為一個(gè)重要的專題，由于該技術(shù)尚未完全成熟，因此需要進(jìn)行專門的研究［7］-［13］。

本文的目的是分析SiC MOSFET在雪崩工作條件下的魯棒性。為了驗(yàn)證魯棒性分析結(jié)果，我們做了許多實(shí)驗(yàn)。最后，我們介紹了器件在不同的UIS測試條件下的魯棒性。

（a）

（b）

圖1：半橋轉(zhuǎn)換器橋臂：（a）簡化框圖，（b）包括主要寄生元件的等效電路。

雪崩事件

通常來說，雪崩事件只有在器件達(dá)到擊穿電壓時(shí)才會(huì)發(fā)生。在正常工作條件下，凡是設(shè)置或要求高開關(guān)頻率的應(yīng)用都會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。

以基于半橋轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用為例，讓我們?cè)敿?xì)解釋一下雪崩現(xiàn)象。

圖1（a）是一個(gè)簡化的半橋轉(zhuǎn)換器電路原理圖，電路中有兩個(gè)SiC MOSFET開關(guān)管，分別用QH和QL表示，除開關(guān)管外，還有一個(gè)感性負(fù)載；圖1（b）是上面電路的等效電路圖，最重要的部分是主要寄生元件，特別是代表電源回路等效寄生電感的LDH，LSH，LDL和LSL，電源回路是指連接+ DC電路（VDD）與QH漏極，QH源極至QL漏極，QL源極至-DC電路的電源軌。此外，LGH，LGL是QH和QL的柵極-源極路徑信號(hào)回路的等效寄生電感?？紤]到HiP247封裝分立器件有三或四個(gè)引線，上面的寄生電感中包含SiC MOSFET焊線和引線的寄生電感，詳細(xì)信息參見［15］，［16］。同樣重要的是，還要考慮SiC MOSFET的寄生電容CGS，CDS和CGD，這些參數(shù)是漏極-源極電壓VDS的函數(shù)［21］。

不難理解在下面兩個(gè)案例的極端工作條件期間產(chǎn)生的電壓尖峰：

1） 有源器件導(dǎo)通，無源器件的體二極管關(guān)斷

2） 有源器件關(guān)斷，無源器件的體二極管導(dǎo)通

用1200V，25mΩ，HIP247-4L封裝的SiC MOSFET分立器件，按照?qǐng)D1的方案做實(shí)驗(yàn)測試，描述瞬變?cè)谑裁辞闆r下被定義為極端工作條件。為簡單起見，將QL視為有源器件，它由適合的柵極驅(qū)動(dòng)器電路控制；QH是無源器件，用作續(xù)流二極管，并且通常在相關(guān)終端施加-5V的恒定負(fù)柵極-源極電壓。

通過分析圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以知曉案例1）的極端工作條件。

圖 2：在850V， 130A，QH 體二極管關(guān)斷時(shí)，VGS， ID 和VDS的典型波形。

本節(jié)重點(diǎn)介紹在QL導(dǎo)通時(shí)QH體二極管的“反向恢復(fù)”過程。測試條件是175°C，VDD=850V， ID=130A。SiC MOSFET的反向恢復(fù)過程是一個(gè)重要的課題，許多人都在研究這種現(xiàn)象。軟恢復(fù)和硬恢復(fù)模式受載流子壽命、摻雜分布、裸片面積等因素影響。從應(yīng)用角度來看，反向恢復(fù)特性主要與正向電流大小ID及其變化率diD/dt和 工作溫度有關(guān)。圖2顯示了變化速率12A/ns 的ID引起的QH體二極管硬恢復(fù)特性。由于結(jié)耗盡非?？欤O-源極電壓VDS以最快的速度上升。在diD/dt 和 dirr/dt與寄生電感的綜合作用下，尖峰電壓現(xiàn)象嚴(yán)重，并且在VDS波形上看到振蕩行為。另外，VGS波形出現(xiàn)明顯振蕩，應(yīng)鉗制該電壓，以避免雜散導(dǎo)通。

快速恢復(fù)用于描述恢復(fù)的效果，概念定義詳見文獻(xiàn)。

通過優(yōu)化轉(zhuǎn)換器電路板布局，將寄生電感降至非常低，可以限制在電流變化率非常高的關(guān)斷期間產(chǎn)生的電壓尖峰，從而最大程度地利用SiC MOSFET的性能。

圖3的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果解釋了案例2）的極端工作條件。圖中所示是在室溫（25°C），850V，130A條件下QL“關(guān)斷”時(shí)的相關(guān)參數(shù)波形。因?yàn)槠骷捎肏IP247-4L封裝，3.3?的柵極電阻Rg加快了關(guān)斷瞬變，并且VDS的峰值非常高（約1550V）。

圖 3：在850V， 130A條件下關(guān)斷QL，VGS， ID， VDS 和 Poff的典型波形。

通過進(jìn)一步降低Rg阻值提高關(guān)斷速度，將會(huì)引發(fā)雪崩事件，不過，在本實(shí)驗(yàn)報(bào)告中沒有達(dá)到雪崩狀態(tài)。

但是，除極端工作條件外，元器件失效也會(huì)導(dǎo)致雪崩事件。

以前文提到的圖1半橋轉(zhuǎn)換器為例，當(dāng)QH續(xù)流二極管失效，致使器件關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流必須在關(guān)斷瞬變期間流經(jīng)互補(bǔ)器件QL，這個(gè)過程被稱為非鉗位感性負(fù)載開關(guān)UIS。在這個(gè)事件期間，器件必須承受某種程度的能量，直到達(dá)到QL擊穿極限值為止。

這種失效機(jī)制與臨界溫度和熱量產(chǎn)生有關(guān)。SiC MOSFET沒有硅基器件上發(fā)現(xiàn)的其它失效模式，例如，BJT閂鎖。在UIS條件下的雪崩能量測試結(jié)果被用于定義SiC MOSFET的魯棒性。

圖4（a）和圖4（b）是SiC MOSFET的UIS測試結(jié)果。這些測試是在圖1無QH的配置中做的，測試條件是VDD=100V， VGS=-5/18V， RGL=4，7?， L=50H， Tc=25°C，下一章詳細(xì)解釋這樣選擇的原因。

圖4（a）所示是前三次脈沖測試。QL正在傳導(dǎo)電流，在第一個(gè)脈沖時(shí)關(guān)斷，如圖中藍(lán)色的VGS，VDS和ID的波形所示，有過電壓產(chǎn)生，VDS略低于1500V，但器件沒有雪崩。在增加脈沖周期后，如圖中綠色波形所示，電流ID達(dá)到5A，器件開始承受雪崩電壓。再重復(fù)做一次UIS測試，如黑色波形所示，電流值變大，但由于負(fù)載電感器較小，直到電流值非常大時(shí)才達(dá)到失效能量。

（a）

（b）

圖4：UIS實(shí)驗(yàn)，（a）雪崩過程開始時(shí)的波形；（b）施加最后兩個(gè)脈沖時(shí)的波形。

圖4（b）所示是最后一種情況的測試結(jié)果。藍(lán)色波形是在一系列單脈沖后，器件失效前倒數(shù)第二個(gè)脈沖產(chǎn)生的波形，從圖中可以看到，器件能夠處理關(guān)斷瞬變，耐受根據(jù)下面的雪崩能量公式（1）算出的約0，7J雪崩能量，最大漏極電流為170A，雪崩電壓平均值為1668V。

紅色波形是在施加最后一個(gè)脈沖獲得的失效波形，這時(shí)器件不再能夠耐受雪崩能量，并且在t *時(shí)刻發(fā)生失效，漏極電流開始驟然增加。

魯棒性評(píng)估和雪崩測試

我們用三組1200V SiC MOSFE做了UIS測試，表1列出了這三組器件的主要數(shù)據(jù)。

5（a）所示是測試等效電路圖，5（b）所示是相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置。QL是待測器件（DUT），測試目標(biāo)是分析DUT的關(guān)斷特性。

（a）

（b）

圖5：UIS實(shí)驗(yàn)裝置： （a）等效電路， （b） 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

設(shè)置A，B，C三種測試條件；施加周期遞增的單脈沖序列，直到待測器件失效為止。

VDD=100V， VGS=-5/18V

1， vs RGL=4，7?， 10?， 47?， at L=50uH， Tc=25°C

2， vs L=50uH， 1mH，at RGL=4，7?， Tc=25°C

3， vs Tc=25°C，90°C， 200°C， at L=50uH， RGL=4，7?

為了便于統(tǒng)計(jì)，從D1，D2和D3三組器件中分別抽出五個(gè)樣品，按照每種測試條件各做一次UIS實(shí)驗(yàn)，測量和計(jì)算失效電流和失效能量，參見圖6，圖7和圖8。

圖6（a）所示是從SiC MOSFET D3中抽出的一個(gè)典型器件，按照測試條件“A”做UIS測試的VDS 和ID失效波形。

（a）

（b）

圖6：UIS對(duì)RG最終測試結(jié)果：（a） 一個(gè)D3樣品的VDS和ID典型值；（b）平均失效能量EAV。

為了清楚起見，只給出了RG ＝4.7Ω和47Ω兩種情況的波形。我們觀察到，失效電流不受RGL的影響。圖6（b）顯示了D1，D2和D3三組的平均EAV。

注意到EAV失效能量略有降低，可忽略不計(jì)，因此，可以得出結(jié)論，在UIS測試條件下，這些SiC MOSFET的魯棒性與RG無關(guān)。

圖7（a）和（b）所示是按照測試條件B，在L=50H 和1mH時(shí)，各做一次UIS測試的失效波形，為簡單起見，只從SiC MOSFET D3中抽取一個(gè)典型樣品做實(shí)驗(yàn)。

在提高負(fù)載電感后，電感器儲(chǔ)存的能量增加，因此，失效電流減小。

（a）

（b）

（c）

圖7：UIS對(duì)L最終測試結(jié)果 （a） 在L=50H時(shí)， D3樣品的VDS 和 ID 典型值 （b）在L=1mH時(shí)， D3樣品的VDS 和 ID 典型值 （c） 平均失效能量EAV.

圖7（c）顯示了D1，D2和D3的平均EAV與L的關(guān)系，可以觀察到，器件D3的失效能量EAV隨著負(fù)載電感提高而顯著提高，而D1和D2的EAV則略有增加。通過分析圖8可以發(fā)現(xiàn)這種行為特性的原因。圖8是根據(jù)等式（2）計(jì)算出來的結(jié)溫Tj的分布圖：

其中：T0是起始溫度，PAV是平均脈沖功率，Zth是芯片封裝熱阻，本次實(shí)驗(yàn)用的是不帶散熱器的TO247-3L封裝。

電感器儲(chǔ)存能量的大小與電感值有關(guān)，儲(chǔ)存能量將被施加到裸片上，轉(zhuǎn)換成熱能被耗散掉。如圖7（a）所示，低電感值會(huì)導(dǎo)致非常大的熱瞬變，這是因?yàn)殡娏髟趲孜⒚雰?nèi)就達(dá)到了非常高的數(shù)值，如圖7（a）所示，因此，結(jié)溫在UIS期間上升非?？?，但裸片沒有夠的時(shí)間散掉熱量。相反，在高電感值的情況下，電流值較低，如圖7（b）所示，并且裸片有足夠的時(shí)間散掉熱量，因此，溫度上升平穩(wěn)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋了為什么被測器件D3的EAV隨負(fù)載電感提高而顯著增加的原因，另外，它的裸片面積比SiC MOSFET D1和D2都大。

最后，在圖9中報(bào)告了測試條件C的UIS測試結(jié)果，測試條件C是封裝溫度的函數(shù)，用熱電偶測量封裝溫度數(shù)值。

圖9（a）所示是D3在Tc=25°C，90℃和200℃三個(gè)不同溫度時(shí)的VDS和ID波形。不出所料，D1，D2和D3三條線的趨勢(shì)相似，工作溫度越高，引起器件失效的EAV就越低，圖9（b）。

圖8：典型D3器件的估算結(jié)溫Tj對(duì)L曲線圖。

結(jié)論

本文探討了在SiC MOSFET應(yīng)用中需要考慮的可能致使功率器件處于雪崩狀態(tài)的工作條件。為了評(píng)估SiC MOSFET的魯棒性，本文通過實(shí)驗(yàn)測試評(píng)估了雪崩能量，最后還用三款特性不同的SiC MOSFET做對(duì)比測試，定義導(dǎo)致器件失效的最大雪崩能量。雪崩能量與芯片面積成正比，并且是柵極電阻、負(fù)載電感和外殼溫度的函數(shù)。

這種在分立器件上進(jìn)行的雪崩耐量分析，引起使用電源模塊開發(fā)應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員的高度關(guān)注，因?yàn)殡娫茨K是由許多并聯(lián)芯片組成，這些芯片的魯棒性需要高度一致，必須進(jìn)行專門的測試分析。此外，對(duì)于特定的應(yīng)用，例如，汽車應(yīng)用，評(píng)估雪崩條件下的魯棒性，可以考慮使用單脈沖雪崩測試和重復(fù)雪崩測試方法。這是一個(gè)重點(diǎn)課題，將是近期評(píng)估活動(dòng)的目標(biāo)。

（a）

（b）

圖9：UIS對(duì)Tc的最終測試結(jié)果；（a）D3樣品在不同的Tc時(shí)的VDS和ID典型值；（b）平均失效能量EAV 對(duì)TC曲線

參考文獻(xiàn)：

［1］ F. Wang and Z. Zhang “Overview of Silicon Carbide Technology： Device， Converter， System， and Application，” Power Electr. And Appl. Trans on. CPSS， vol. 1， no. 1， pp. 13-32， December 2016.

［2］ S. Ji， Z. Zhang， F. F. Wang “Overview of High Voltage SiC Power Semiconductor Devices： Development and Application，” CES Trans. On Elec. Machines and Systems， vol. 1， no. 3， Sept. 2017， pp.：254-264.

［3］ B. Wang， J. Cai， X.Du and L. Zhou “Review of Power Semiconductor Device Reliability for Power Converters，” CPSS Trans. On Pow. Elect. and Appl. Vol.2， no.2， pp. 101-117， June2017.

［4］ A. Hanif， Y. Yu， D. DeVoto and F.Khan “A Comprehensive Review Toward the State-of-the-Art in Failure and Lifetime Predictions of Power Electronic Devices，” IEEE Trans. On Pow. Elect. vol.34， no.5， pp. 4729- 4746May2019.

［5］ B. Mirafzal “Survey of Fault-Tolerance Techniques for Three-Phase Voltage Source Inverters，” IEEE Trans. on Ind. Elec. Vol.61， no.10， pp. 5192-5202， Oct.2014.

［6］ F. Richardeau， P. Baudesson， T. A. Meynard “Failures-Tolerance and Remedial Strategies of a PWM Multicell Inverter，” IEEE Trans. Power Elec.， vol. 17， no. 6， pp 905-912， Nov.2002.

［7］ A. Fayyaz， G. Romano， J. Urresti， M. Riccio， A. Castellazzi， A. Irace， and N. Wright， “A Comprehensive Study on the Avalanche Breakdown Robustness of Silicon Carbide Power MOSFETs”， Energies， vol. 10， no. 4， pp. 452-466， 2017.

［8］ M. D. Kelley， B. N. Pushpakaran and Stephen B. Bayne “Single-Pulse Avalanche Mode Robustness of Commercial 1200 V/80 mΩ SiC MOSFETs，” IEEE Trans. On Pow. Elec. Vol. 32， no.8， pp. 6405-6415， Aug. 2017.

［9］ I. Dchar， M. Zolkos， C. Buttay， H. Morel “Robustness of SiC MOSFET under Avalanche Conditions”， 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition （APEC）

［10］ N. Ren， H. Hu， K. L. Wang， Z. Zuo， R. Li， K. Sheng “Investigation on Single Pulse Avalanche Failure of 900V SiC MOSFETs” Int. Symp. On Power Semic. Dev. & ICs， May 13-17， 2018.

［11］ J. Wei， S. Liu， S. Li， J. Fang， T. Li， and W. Sun “Comprehensive Investigations on Degradations of Dynamic Characteristics for SiC Power MOSFETs under Repetitive Avalanche Shocks，” IEEE Trans. on Power Elec. Vol.： 34， no： 3， pp. 2748– 2757， March 2019

［12］ J. Hu， O. Alatise， J. Angel Ortiz Gonzalez， R. Bonyadi， P. Alexakis， L. Ran and P. Mawby “Robustness and Balancing of Parallel-Connected Power Devices： SiC Versus CoolMOS，” IEEE Trans. On Ind. Elec. Vol. 63， no.4， pp.2092-2102 April 2016.

［13］ M. Nawaz “Evaluation of SiC MOSFET power modules under unclamped inductive switching test environment”， Journal of Microelec. Reliability， vol. 63， pp. 97-103， 2016.

［14］ H. Chen， D. Divan “High Speed Switching Issues of High Power Rated Silicon-Carbide Devices and the Mitigation Methods” 2015 ECCE， pp.2254-2260.

［15］ M. Pulvirenti， L. Salvo， G. Scelba， A.G. Sciacca， M. Nania， G. Scarcella， M. Cacciato， “Characterization and Modeling of SiC MOSFETs Turn On in a Half Bridge Converter” 2019 IEEE En. Conv. Cong. and Expo. （ECCE2019）。

［16］ M. Pulvirenti， G. Monotoro， M. Nania， R. Scollo， G. Scelba， M. Cacciato， G. Scarcella， L. Salvo “Analysis of Transient Gate-Source OverVoltages in Silicon Carbide MOSFET Power Devices” 2018 IEEE En. Conv. Cong. and Expo. （ECCE2018）。

［17］ J. Mari， F. Carastro， M.-J. Kell， P. Losee， T. Zoels “Diode snappiness from a user’s perspective” 2015， 17th European Conference on Power Electronics and Applications （EPE‘15 ECCE-Europe）。

［18］ R. Wu， F. Blaabjerg， H. Wang， M. Liserre， “Overview of catastrophic failures of freewheeling diodes in power electronic circuits”， Microelectronics Reliability， vol. 53， no.9-11， 2013， pp.：1788-1792.

［19］ Y. Shi， R. Xie， L. Wang， Y. Shi， and H. Li， “Switching Characterization and Short-Circuit Protection of 1200V SiC MOSFET T-Type Module in PV Inverter Application”， IEEE Trans. on Ind. Electron.， to be published.

［20］ R. Katebi， J.He， N. Weise “An Advanced Three-Level Active Neutral-Point-Clamped Converter With Improved Fault-Tolerant Capabilities，” IEEE Trans. On Power Elect.， vol. 33， no.8， pp. 6897-6909， Aug. 2018.