引語(yǔ)

 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。

 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,。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。

 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(guò)擊穿電壓額定值時(shí),，會(huì)發(fā)生雪崩事件,。

 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(guò)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。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(guò)100V/ns,，diD/dt超過(guò)10A/ns 。

 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(wú)法避免的,。在這種雪崩期間，除過(guò)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(wèn)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(cè)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(cè)算法和保護(hù)系統(tǒng)也無(wú)法立即發(fā)揮作用,。SiC MOSFET的雪崩問(wèn)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,。

 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(cè)試條件下的魯棒性,。

 雪崩事件

 通常來(lái)說(shuō),，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(jiǎn)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,。考慮到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(wú)源器件的體二極管關(guān)斷

2)    有源器件關(guān)斷,，無(wú)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(cè)試,，描述瞬變?cè)谑裁辞闆r下被定義為極端工作條件。為簡(jiǎn)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(wú)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(jiǎn)化框圖,，(b)包括主要寄生元件的等效電路,。

 通過(guò)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(guò)程,。測(cè)試條件是175°C，VDD=850V, ID=130A,。SiC MOSFET的反向恢復(fù)過(guò)程是一個(gè)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(lái)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?？?，漏極-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(guò)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(cè)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(guò)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(guò),，在本實(shí)驗(yàn)報(bào)告中沒(méi)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[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(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(guò)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(méi)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(cè)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(cè)試結(jié)果,。這些測(cè)試是在圖1無(wú)QH的配置中做的,，測(cè)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(cè)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(guò)電壓產(chǎn)生,，VDS略低于1500V,，但器件沒(méi)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(cè)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)

圖4：UIS實(shí)驗(yàn),，(a)雪崩過(guò)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(cè)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(cè)試

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

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

 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(cè)試條件,；施加周期遞增的單脈沖序列，直到待測(cè)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(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(cè)試條件各做一次UIS實(shí)驗(yàn),，測(cè)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(cè)試條件“A”做UIS測(cè)試的VDS 和ID失效波形,。

(a)

 圖6：UIS對(duì)RG最終測(cè)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(cè)試條件下,，這些SiC MOSFET的魯棒性與RG無(wú)關(guān),。

 圖7（a）和（b）所示是按照測(cè)試條件B，在L=50?H 和1mH時(shí),，各做一次UIS測(cè)試的失效波形，為簡(jiǎn)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。

圖7：UIS對(duì)L最終測(cè)試結(jié)果 (a) 在L=50?H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(guò)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(lái)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(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(méi)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(cè)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(duì)L曲線圖,。

 最后,，在圖9中報(bào)告了測(cè)試條件C的UIS測(cè)試結(jié)果，測(cè)試條件C是封裝溫度的函數(shù),，用熱電偶測(cè)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9：UIS對(duì)Tc的最終測(cè)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

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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試和重復(fù)雪崩測(cè)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),。