本文將探討如何在雪崩工作條件下評估 SiC MOSFET 的魯棒性。MOSFET 功率變換器，特別是電動汽車驅(qū)動電機(jī)功率變換器，需要能夠耐受一定的工作條件。如果器件在續(xù)流導(dǎo)通期間出現(xiàn)失效或柵極驅(qū)動命令信號錯誤，就會致使變換器功率開關(guān)管在雪崩條件下工作。因此，本文通過模擬雪崩事件，進(jìn)行非鉗位感性負(fù)載開關(guān)測試，并使用不同的 SiC MOSFET 器件，按照不同的測試條件，評估技術(shù)的失效能量和魯棒性。

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。在與人類社會活動和生態(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，因為 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，同時提高能效［1］，［2］。

采用最新一代 SiC MOSFET 設(shè)計功率變換器應(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。當(dāng)漏源電壓 VDS 超過擊穿電壓額定值時，會發(fā)生雪崩事件［7］。

對于 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值得關(guān)注的重點(diǎn)，例如，電動汽車的驅(qū)動電機(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［18］。因此，在二極管關(guān)斷時，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需要考慮的重要問題，因為器件必須耐受異常的電壓和電流值。

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)計方法，是很有必要的［20］。但是，除了安全保護(hù)和最佳設(shè)計規(guī)則外，功率開關(guān)管還必須強(qiáng)健結(jié)實，即具有“魯棒性”，才能耐受某種程度的異常工作條件，因為即便超快速檢測算法和保護(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。為了驗證魯棒性分析結(jié)果，我們做了許多實驗。最后，我們介紹了器件在不同的 UIS 測試條件下的魯棒性。

雪崩事件

通常來說，雪崩事件只有在器件達(dá)到擊穿電壓時才會發(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，讓我們詳細(xì)解釋一下雪崩現(xiàn)象。

圖 1（a）是一個簡化的半橋轉(zhuǎn)換器電路原理圖，電路中有兩個 SiC MOSFET 開關(guān)管，分別用 QH 和 QL 表示，除開關(guān)管外，還有一個感性負(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 - 源極路徑信號回路的等效寄生電感?？紤]到 HiP247 封裝分立器件有三或四個引線，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，按照圖 1 的方案做實驗測試，描述瞬變在什么情況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。

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。

通過分析圖 2 的實驗結(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，VGS， ID 和 VDS 的典型波形。

本節(jié)重點(diǎn)介紹在 QL 導(dǎo)通時 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)過程是一個重要的課題，許多人都在研究這種現(xiàn)象［17］，［18］。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［16］。

快速恢復(fù)用于描述恢復(fù)的效果，概念定義詳見文獻(xiàn)［17］。

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 的實驗測試結(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”時的相關(guān)參數(shù)波形。因為器件采用 HIP247-4L 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，將會引發(fā)雪崩事件，不過，在本實驗報告中沒有達(dá)到雪崩狀態(tài)。

但是，除極端工作條件外，元器件失效也會導(dǎo)致雪崩事件［4］。

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，負(fù)載電流必須在關(guān)斷瞬變期間流經(jīng)互補(bǔ)器件 QL，這個過程被稱為非鉗位感性負(fù)載開關(guān) UIS。在這個事件期間，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［10］。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=50?H， 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，在第一個脈沖時關(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才達(dá)到失效能量。

圖 4：UIS 實驗，（a）雪崩過程開始時的波形；（b）施加最后兩個脈沖時的波形。

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脈沖獲得的失效波形，這時器件不再能夠耐受雪崩能量，并且在 t *時刻發(fā)生失效，漏極電流開始驟然增加。

魯棒性評估和雪崩測試

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)實驗裝置。QL 是待測器件（DUT），測試目標(biāo)是分析 DUT 的關(guān)斷特性。

表 1：SiC MOSFET 規(guī)格

圖 5：UIS 實驗裝置： （a）等效電路， （b） 實驗臺

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

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

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

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

為了便于統(tǒng)計，從 D1，D2 和 D3 三組器件中分別抽出五個樣品，按照每種測試條件各做一次 UIS 實驗，測量和計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 中抽出的一個典型器件，按照測試條件“A”做 UIS 測試的 VDS 和 ID 失效波形。

圖 6：UIS 對 RG 最終測試結(jié)果：（a） 一個 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，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=50?H 和 1mH 時，各做一次 UIS 測試的失效波形，為簡單起見，只從 SiC MOSFET D3 中抽取一個典型樣品做實驗。

在提高負(fù)載電感后，電感器儲存的能量增加，因此，失效電流減小。

圖 7：UIS 對 L 最終測試結(jié)果 （a） 在 L=50?H 時， D3 樣品的 VDS 和 ID 典型值 （b）在 L=1mH 時， 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）計算出來的結(jié)溫 Tj 的分布圖：

Tj=T0+PAVZth（2）

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

電感器儲存能量的大小與電感值有關(guān)，儲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，低電感值會導(dǎo)致非常大的熱瞬變，這是因為電流在幾微秒內(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?？欤闫瑳]有夠的時間散掉熱量。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間散掉熱量，因此，溫度上升平穩(wěn)。

這個實驗結(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。

圖 8：典型 D3 器件的估算結(jié)溫 Tj 對 L 曲線圖。

最后，在圖 9 中報告了測試條件 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℃三個不同溫度時的 VDS 和 ID 波形。不出所料，D1，D2 和 D3 三條線的趨勢相似，工作溫度越高，引起器件失效的 EAV 就越低，圖 9（b）。

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

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。為了評估 SiC MOSFET 的魯棒性，本文通過實驗測試評估了雪崩能量，最后還用三款特性不同的 SiC MOSFET 做對比測試，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)計人員的高度關(guān)注，因為電源模塊是由許多并聯(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，對于特定的應(yīng)用，例如，汽車應(yīng)用，評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。這是一個重點(diǎn)課題，將是近期評估活動的目標(biāo)。

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