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)境保護相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，例如,，交通,、工業(yè)、能源轉(zhuǎn)換等,，標準硅基功率開關(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。
采用最新一代SiC MOSFET設(shè)計功率變換器應(yīng)該認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,。短路和雪崩是可能導(dǎo)致電源轉(zhuǎn)換器開關(guān)管嚴重失效的異常事件。
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。當漏源電壓VDS超過擊穿電壓額定值時,，會發(fā)生雪崩事件,。
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,。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 ,。
另一方面，電機功率變換器也是一個值得關(guān)注的重點,，例如,，電動汽車的驅(qū)動電機逆變器、工業(yè)伺服電機等,，這些應(yīng)用的負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,，其余器件將傳導(dǎo)負載電流，進行非鉗位感性負載開關(guān)UIS操作,，工作于雪崩狀態(tài)是無法避免的,。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系統(tǒng),，配合同樣基于“可靠性”標準的變換器設(shè)計方法,，是很有必要的[20]。但是,，除了安全保護和最佳設(shè)計規(guī)則外,，功率開關(guān)管還必須強健結(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系統(tǒng)也無法立即發(fā)揮作用。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,，因此需要進行專門的研究。
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,。考慮到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[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QH續(xù)流二極管失效,，致使器件關(guān)斷時,，負載電流必須在關(guān)斷瞬變期間流經(jīng)互補器件QL，這個過程被稱為非鉗位感性負載開關(guān)UIS,。在這個事件期間,，器件必須承受某種程度的能量，直到達到QL擊穿極限值為止,。
這種失效機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,，但由于負載電感器較小,，直到電流值非常大時才達到失效能量。
(a)
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）,，測試目標是分析DUT的關(guān)斷特性。
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
vs RGL=4,7?, 10?, 47?, at L=50uH, Tc=25°C
vs L=50uH, 1mH, at RGL=4,7?, Tc=25°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,。
(a)
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,、負載電感和外殼溫度的函數(shù),。
這種在分立器件上進行的雪崩耐量分析，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,。這是一個重點課題,，將是近期評估活動的目標。