雪崩下SiC MOSFET应用技术的鲁棒性评估

本文将探讨如何在雪崩工作条件下评估 SiC MOSFET 的鲁棒性。MOSFET 功率变换器，特别是电动汽车驱动电机功率变换器，需要能够耐受一定的工作条件。如果器件在续流导通期间出现失效或栅极驱动命令信号错误，就会致使变换器功率开关管在雪崩条件下工作。因此，本文通过模拟雪崩事件，进行非钳位感性负载开关测试，并使用不同的 SiC MOSFET 器件，按照不同的测试条件，评估技术的失效能量和鲁棒性。

引语

能效和可靠性是所有电子功率变换器必备的主要特性。在与人类社会活动和生态环境保护相关的应用领域，例如，交通、工业、能源转换等，标准硅基功率开关管已被 SiC MOSFET 取代，因为 SiC MOSFET 在电流密度 / 芯片面积、击穿电压、开关频率、工作温度方面表现更出色，可缩减功率变换器的体积和尺寸，同时提高能效［1］，［2］。

采用最新一代 SiC MOSFET 设计功率变换器应该认真考虑器件的可靠性和鲁棒性，避免让异常失效现象破坏系统的整体安全性［3］，［4］。短路和雪崩是可能导致电源转换器开关管严重失效的异常事件［5］ ［6］。

短路事件可能是错误和失控的工作条件引起的，例如，器件开关顺序命令出错。当漏源电压 VDS 超过击穿电压额定值时，会发生雪崩事件［7］。

对于 dvDS/dt 和 diD/dt 变化率很高的应用，在开关瞬变期间，VDS 可能会超过击穿电压额定值。高瞬变率结合变换器布局固有的寄生电感，将会产生电压尖峰，在极端情况下，导致雪崩事件发生［7］，［14］，［16］。SiC MOSFET 可能会出现这些工作条件，分立器件的 dvDS/dt 可能轻松超过 100V/ns，diD/dt 超过 10A/ns ［1］，［21］。

另一方面，电机功率变换器也是一个值得关注的重点，例如，电动汽车的驱动电机逆变器、工业伺服电机等，这些应用的负载具有典型的电感特性，要求功率开关还必须兼备续流二极管的功能［18］。因此，在二极管关断时，其余器件将传导负载电流，进行非钳位感性负载开关 UIS 操作，工作于雪崩状态是无法避免的［13］。在这种雪崩期间，除过电压非常高之外，高耗散能量也是一个需要考虑的重要问题，因为器件必须耐受异常的电压和电流值。

采用失效检测算法和保护系统，配合同样基于“可靠性”标准的变换器设计方法，是很有必要的［20］。但是，除了安全保护和最佳设计规则外，功率开关管还必须强健结实，即具有“鲁棒性”，才能耐受某种程度的异常工作条件，因为即便超快速检测算法和保护系统也无法立即发挥作用［19］。SiC MOSFET 的雪崩问题已成为一个重要的专题，由于该技术尚未完全成熟，因此需要进行专门的研究［7］-［13］。

本文的目的是分析 SiC MOSFET 在雪崩工作条件下的鲁棒性。为了验证鲁棒性分析结果，我们做了许多实验。最后，我们介绍了器件在不同的 UIS 测试条件下的鲁棒性。

雪崩事件

通常来说，雪崩事件只有在器件达到击穿电压时才会发生。在正常工作条件下，凡是设置或要求高开关频率的应用都会发生这种现象。

以基于半桥转换器的应用为例，让我们详细解释一下雪崩现象。

图 1（a）是一个简化的半桥转换器电路原理图，电路中有两个 SiC MOSFET 开关管，分别用 QH 和 QL 表示，除开关管外，还有一个感性负载；图 1（b）是上面电路的等效电路图，最重要的部分是主要寄生元件，特别是代表电源回路等效寄生电感的 LDH，LSH，LDL 和 LSL，电源回路是指连接+ DC 电路（VDD）与 QH 漏极，QH 源极至 QL 漏极，QL 源极至 -DC 电路的电源轨。此外，LGH，LGL 是 QH 和 QL 的栅极 - 源极路径信号回路的等效寄生电感。考虑到 HiP247 封装分立器件有三或四个引线，上面的寄生电感中包含 SiC MOSFET 焊线和引线的寄生电感，详细信息参见［15］，［16］。同样重要的是，还要考虑 SiC MOSFET 的寄生电容 CGS，CDS 和 CGD，这些参数是漏极 - 源极电压 VDS 的函数［21］。

不难理解在下面两个案例的极端工作条件期间产生的电压尖峰：

1）有源器件导通，无源器件的体二极管关断

2）有源器件关断，无源器件的体二极管导通

用 1200V，25mΩ，HIP247-4L 封装的 SiC MOSFET 分立器件，按照图 1 的方案做实验测试，描述瞬变在什么情况下被定义为极端工作条件。为简单起见，将 QL 视为有源器件，它由适合的栅极驱动器电路控制；QH 是无源器件，用作续流二极管，并且通常在相关终端施加 -5V 的恒定负栅极 - 源极电压。

图 1：半桥转换器桥臂：（a）简化框图，（b）包括主要寄生元件的等效电路。

通过分析图 2 的实验结果，可以知晓案例 1）的极端工作条件。

图 2：在 850V， 130A，QH 体二极管关断时，VGS， ID 和 VDS 的典型波形。

本节重点介绍在 QL 导通时 QH 体二极管的“反向恢复”过程。测试条件是 175°C，VDD=850V， ID=130A。SiC MOSFET 的反向恢复过程是一个重要的课题，许多人都在研究这种现象［17］，［18］。软恢复和硬恢复模式受载流子寿命、掺杂分布、裸片面积等因素影响。从应用角度来看，反向恢复特性主要与正向电流大小 ID 及其变化率 diD/dt 和 工作温度有关。图 2 显示了变化速率 12A/ns 的 ID 引起的 QH 体二极管硬恢复特性。由于结耗尽非常快，漏极 - 源极电压 VDS 以最快的速度上升。在 diD/dt 和 dirr/dt 与寄生电感的综合作用下，尖峰电压现象严重，并且在 VDS 波形上看到振荡行为。另外，VGS 波形出现明显振荡，应钳制该电压，以避免杂散导通［16］。

快速恢复用于描述恢复的效果，概念定义详见文献［17］。

通过优化转换器电路板布局，将寄生电感降至非常低，可以限制在电流变化率非常高的关断期间产生的电压尖峰，从而最大程度地利用 SiC MOSFET 的性能。

图 3 的实验测试结果解释了案例 2）的极端工作条件。图中所示是在室温（25°C），850V，130A 条件下 QL“关断”时的相关参数波形。因为器件采用 HIP247-4L 封装，3.3Ω的栅极电阻 Rg 加快了关断瞬变，并且 VDS 的峰值非常高（约 1550V）。

图 3：在 850V， 130A 条件下关断 QL，VGS， ID， VDS 和 Poff 的典型波形。

通过进一步降低 Rg 阻值提高关断速度，将会引发雪崩事件，不过，在本实验报告中没有达到雪崩状态。

但是，除极端工作条件外，元器件失效也会导致雪崩事件［4］。

以前文提到的图 1 半桥转换器为例，当 QH 续流二极管失效，致使器件关断时，负载电流必须在关断瞬变期间流经互补器件 QL，这个过程被称为非钳位感性负载开关 UIS。在这个事件期间，器件必须承受某种程度的能量，直到达到 QL 击穿极限值为止。

这种失效机制与临界温度和热量产生有关。SiC MOSFET 没有硅基器件上发现的其它失效模式，例如，BJT 闩锁［10］。在 UIS 条件下的雪崩能量测试结果被用于定义 SiC MOSFET 的鲁棒性。

图 4（a）和图 4（b）是 SiC MOSFET 的 UIS 测试结果。这些测试是在图 1 无 QH 的配置中做的，测试条件是 VDD=100V， VGS=-5/18V， RGL=4，7Ω， L=50H， Tc=25°C，下一章详细解释这样选择的原因。

图 4（a）所示是前三次脉冲测试。QL 正在传导电流，在第一个脉冲时关断，如图中蓝色的 VGS，VDS 和 ID 的波形所示，有过电压产生，VDS 略低于 1500V，但器件没有雪崩。在增加脉冲周期后，如图中绿色波形所示，电流 ID 达到 5A，器件开始承受雪崩电压。再重复做一次 UIS 测试，如黑色波形所示，电流值变大，但由于负载电感器较小，直到电流值非常大时才达到失效能量。

图 4：UIS 实验，（a）雪崩过程开始时的波形；（b）施加最后两个脉冲时的波形。

图 4（b）所示是最后一种情况的测试结果。蓝色波形是在一系列单脉冲后，器件失效前倒数第二个脉冲产生的波形，从图中可以看到，器件能够处理关断瞬变，耐受根据下面的雪崩能量公式（1）算出的约 0，7J 雪崩能量，最大漏极电流为 170A，雪崩电压平均值为 1668V。

红色波形是在施加最后一个脉冲获得的失效波形，这时器件不再能够耐受雪崩能量，并且在 t *时刻发生失效，漏极电流开始骤然增加。

鲁棒性评估和雪崩测试

我们用三组 1200V SiC MOSFE 做了 UIS 测试，表 1 列出了这三组器件的主要数据。

5（a）所示是测试等效电路图，5（b）所示是相关实验装置。QL 是待测器件（DUT），测试目标是分析 DUT 的关断特性。

表 1：SiC MOSFET 规格

图 5：UIS 实验装置： （a）等效电路， （b） 实验台

设置 A，B，C 三种测试条件；施加周期递增的单脉冲序列，直到待测器件失效为止。

VDD=100V， VGS=-5/18V

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

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

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

为了便于统计，从 D1，D2 和 D3 三组器件中分别抽出五个样品，按照每种测试条件各做一次 UIS 实验，测量和计算失效电流和失效能量，参见图 6，图 7 和图 8。

图 6（a）所示是从 SiC MOSFET D3 中抽出的一个典型器件，按照测试条件“A”做 UIS 测试的 VDS 和 ID 失效波形。

图 6：UIS 对 RG 最终测试结果：（a） 一个 D3 样品的 VDS 和 ID 典型值；（b）平均失效能量 EAV。

为了清楚起见，只给出了 RG ＝4.7Ω和 47Ω两种情况的波形。我们观察到，失效电流不受 RGL 的影响。图 6（b）显示了 D1，D2 和 D3 三组的平均 EAV。

注意到 EAV 失效能量略有降低，可忽略不计，因此，可以得出结论，在 UIS 测试条件下，这些 SiC MOSFET 的鲁棒性与 RG 无关。

图 7（a）和（b）所示是按照测试条件 B，在 L=50H 和 1mH 时，各做一次 UIS 测试的失效波形，为简单起见，只从 SiC MOSFET D3 中抽取一个典型样品做实验。

在提高负载电感后，电感器储存的能量增加，因此，失效电流减小。

图 7：UIS 对 L 最终测试结果 （a） 在 L=50H 时， D3 样品的 VDS 和 ID 典型值 （b）在 L=1mH 时， D3 样品的 VDS 和 ID 典型值 （c） 平均失效能量 EAV.

图 7（c）显示了 D1，D2 和 D3 的平均 EAV 与 L 的关系，可以观察到，器件 D3 的失效能量 EAV 随着负载电感提高而显著提高，而 D1 和 D2 的 EAV 则略有增加。通过分析图 8 可以发现这种行为特性的原因。图 8 是根据等式（2）计算出来的结温 Tj 的分布图：

Tj=T0+PAVZth（2）

其中：T0 是起始温度，PAV 是平均脉冲功率，Zth 是芯片封装热阻，本次实验用的是不带散热器的 TO247-3L 封装。

电感器储存能量的大小与电感值有关，储存能量将被施加到裸片上，转换成热能被耗散掉。

如图 7（a）所示，低电感值会导致非常大的热瞬变，这是因为电流在几微秒内就达到了非常高的数值，如图 7（a）所示，因此，结温在 UIS 期间上升非常快，但裸片没有够的时间散掉热量。相反，在高电感值的情况下，电流值较低，如图 7（b）所示，并且裸片有足够的时间散掉热量，因此，温度上升平稳。

这个实验结果解释了为什么被测器件 D3 的 EAV 随负载电感提高而显着增加的原因，另外，它的裸片面积比 SiC MOSFET D1 和 D2 都大。

图 8：典型 D3 器件的估算结温 Tj 对 L 曲线图。

最后，在图 9 中报告了测试条件 C 的 UIS 测试结果，测试条件 C 是封装温度的函数，用热电偶测量封装温度数值。

图 9（a）所示是 D3 在 Tc=25°C，90℃和 200℃三个不同温度时的 VDS 和 ID 波形。不出所料，D1，D2 和 D3 三条线的趋势相似，工作温度越高，引起器件失效的 EAV 就越低，图 9（b）。

图 9：UIS 对 Tc 的最终测试结果；（a）D3 样品在不同的 Tc 时的 VDS 和 ID 典型值；（b）平均失效能量 EAV 对 TC 曲线

结论

本文探讨了在 SiC MOSFET 应用中需要考虑的可能致使功率器件处于雪崩状态的工作条件。为了评估 SiC MOSFET 的鲁棒性，本文通过实验测试评估了雪崩能量，最后还用三款特性不同的 SiC MOSFET 做对比测试，定义导致器件失效的最大雪崩能量。雪崩能量与芯片面积成正比，并且是栅极电阻、负载电感和外壳温度的函数。

这种在分立器件上进行的雪崩耐量分析，引起使用电源模块开发应用的设计人员的高度关注，因为电源模块是由许多并联芯片组成，这些芯片的鲁棒性需要高度一致，必须进行专门的测试分析。此外，对于特定的应用，例如，汽车应用，评估雪崩条件下的鲁棒性，可以考虑使用单脉冲雪崩测试和重复雪崩测试方法。这是一个重点课题，将是近期评估活动的目标。

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