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(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。
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,。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,。
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(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,,其余器件將傳導(dǎo)負(fù)載電流,,進行非鉗位感性負(fù)載開關(guān)UIS操作,,工作于雪崩狀態(tài)是無法避免的。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(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(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)耗盡非常快,,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[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(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(fù)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(biāo)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(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(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(biāo),。