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設計功率變換器應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”標準的變換器設計方法,，是很有必要的[20],。但是，除了安全保護和最佳設計規(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,，凡是設置或要求高開關(guān)頻率的應用都會發(fā)生這種現(xiàn)象,。

 以基于半橋轉(zhuǎn)換器的應用為例，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導通時QH體二極管的“反向恢復”過程,。測試條件是175°C，VDD=850V, ID=130A,。SiC MOSFET的反向恢復過程是一個重要的課題,，許多人都在研究這種現(xiàn)象[17]，[18],。軟恢復和硬恢復模式受載流子壽命,、摻雜分布、裸片面積等因素影響,。從應用角度來看,，反向恢復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,，應鉗制該電壓，以避免雜散導通[16],。

 快速恢復用于描述恢復的效果,，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?？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)應用的設計人員的高度關(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，對于特定的應用,，例如,，汽車應用，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,。