雪崩作业条件下评价SiC MOSFET的鲁棒性

摘要

本文将讨论如安在雪崩作业条件下评价SiC MOSFET的鲁棒性。MOSFET功率变换器，特别是电动轿车驱动电机功率变换器，需求能够耐受必定的作业条件。假如器材在续流导通期间呈现失效或栅极驱动指令信号过错，就会致使变换器功率开关管在雪崩条件下作业。因而，本文经过模仿雪崩事情，进行非钳位理性负载开关测验，并运用不同的SiC MOSFET器材，依照不同的测验条件，评价技能的失效能量和鲁棒性。

引语

能效和可靠性是一切电子功率变换器必备的首要特性。在与人类社会活动和生态环境维护相关的运用领域，例如，交通、工业、动力转化等，规范硅基功率开关管已被SiC MOSFET替代，由于 SiC MOSFET在电流密度/芯片面积、击穿电压、开关频率、作业温度方面体现更超卓，可减缩功率变换器的体积和尺度，一起进步能效[1]，[2]。

选用最新一代SiC MOSFET规划功率变换器应该仔细考虑器材的可靠性和鲁棒性，防止让反常失效现象损坏体系的全体安全性[3]，[4]。短路和雪崩是或许导致电源转化器开关管严峻失效的反常事情[5] [6]。

短路事情或许是过错和失控的作业条件引起的，例如，器材开关次序指令犯错。当漏源电压VDS超越击穿电压额定值时，会产生雪崩事情[7]。

关于dvDS/dt 和 diD/dt改变率很高的运用，在开关瞬变期间，VDS或许会超越击穿电压额定值。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，在极点状况下，导致雪崩事情产生[7]，[14]，[16]。SiC MOSFET或许会呈现这些作业条件，分立器材的dvDS/dt或许轻松超越100V/ns，diD/dt超越10A/ns [1]，[21]。

另一方面，电机功率变换器也是一个值得重视的要点，例如，电动轿车的驱动电机逆变器、工业伺服电机等，这些运用的负载具有典型的电感特性，要求功率开关还有必要兼备续流二极管的功用[18]。因而，在二极管关断时，其他器材将传导负载电流，进行非钳位理性负载开关UIS操作，作业于雪崩状况是无法防止的[13]。在这种雪崩期间，除过电压十分高之外，高耗散能量也是一个需求考虑的重要问题，由于器材有必要耐受反常的电压和电流值。

选用失效检测算法和维护体系，合作相同依据“可靠性”规范的变换器规划办法，是很有必要的[20]。可是，除了安全维护和最佳规划规矩外，功率开关管还有必要健旺健壮，即具有“鲁棒性”，才干耐受某种程度的反常作业条件，由于即使超快速检测算法和维护体系也无法当即发挥作用[19]。SiC MOSFET的雪崩问题已成为一个重要的专题，由于该技能没有彻底老练，因而需求进行专门的研讨[7]-[13]。

本文的意图是剖析SiC MOSFET在雪崩作业条件下的鲁棒性。为了验证鲁棒性剖析成果，咱们做了许多试验。终究，咱们介绍了器材在不同的UIS测验条件下的鲁棒性。

雪崩事情

一般来说，雪崩事情只要在器材到达击穿电压时才会产生。在正常作业条件下，但凡设置或要求高开关频率的运用都会产生这种现象。

以依据半桥转化器的运用为例，让咱们具体解说一下雪崩现象。

图1（a）是一个简化的半桥转化器电路原理图，电路中有两个SiC MOSFET开关管，别离用QH和QL表明，除开关管外，还有一个理性负载；图1（b）是上面电路的等效电路图，最重要的部分是首要寄生元件，特别是代表电源回路等效寄生电感的LDH，LSH，LDL和LSL，电源回路是指衔接+ 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-源极途径信号回路的等效寄生电感。考虑到HiP247封装分立器材有三或四个引线，上面的寄生电感中包含SiC MOSFET焊线和引线的寄生电感，具体信息拜见[15]，[16]。相同重要的是，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事例的极点作业条件期间产生的电压尖峰：

1)        有源器材导通，无源器材的体二极管关断

2)        有源器材关断，无源器材的体二极管导通

用1200V，25mΩ，HIP247-4L封装的SiC MOSFET分立器材，依照图1的计划做试验测验，描绘瞬变在什么状况下被界说为极点作业条件。为简略起见，将QL视为有源器材，它由合适的栅极驱动器电路操控；QH是无源器材，用作续流二极管，而且一般在相关终端施加-5V的稳定负栅极-源极电压。

图1：半桥转化器桥臂：(a)简化框图，(b)包含首要寄生元件的等效电路

经过剖析图2的试验成果，能够知晓事例1）的极点作业条件。

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

本节要点介绍在QL导通时QH体二极管的“反向康复”进程。测验条件是175°C，VDD=850V, ID=130A。SiC MOSFET的反向康复进程是一个重要的课题，许多人都在研讨这种现象[17]，[18]。软康复和硬康复形式受载流子寿数、掺杂散布、裸片面积等要素影响。从运用视点来看，反向康复特性首要与正向电流巨细ID及其改变率diD/dt和 作业温度有关。图2显现了改变速率12A/ns 的ID引起的QH体二极管硬康复特性。由于结耗尽十分快，漏极-源极电压VDS以最快的速度上升。在diD/dt 和 dirr/dt与寄生电感的归纳作用下，尖峰电压现象严峻，而且在VDS波形上看到振动行为。别的，VGS波形呈现明显振动，应胁迫该电压，以防止杂散导通[16]。

快速康复用于描绘康复的作用，概念界说详见文献[17]。

经过优化转化器电路板布局，将寄生电感降至十分低，能够约束在电流改变率十分高的关断期间产生的电压尖峰，然后最大程度地运用SiC MOSFET的功能。

图3的试验测验成果解说了事例2）的极点作业条件。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。由于器材选用HIP247-4L封装，3.3Ω的栅极电阻Rg加快了关断瞬变，而且VDS的峰值十分高（约1550V）。

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

经过进一步下降Rg阻值进步关断速度，将会引发雪崩事情，不过，在本试验报告中没有到达雪崩状况。

可是，除极点作业条件外，元器材失效也会导致雪崩事情[4]。

以前文说到的图1半桥转化器为例，当QH续流二极管失效，致使器材关断时，负载电流有必要在关断瞬变期间流经互补器材QL，这个进程被称为非钳位理性负载开关UIS。在这个事情期间，器材有必要接受某种程度的能量，直到到达QL击穿极限值停止。

这种失效机制与临界温度和热量产生有关。SiC MOSFET没有硅基器材上发现的其它失效形式，例如，BJT闩锁[10]。在UIS条件下的雪崩能量测验成果被用于界说SiC MOSFET的鲁棒性。

图4(a)和图4(b)是SiC MOSFET的UIS测验成果。这些测验是在图1无QH的装备中做的，测验条件是VDD=100V, VGS=-5/18V, RGL=4,7Ω, L=50H, Tc=25°C，下一章具体解说这样挑选的原因。

图4(a)所示是前三次脉冲测验。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，但器材没有雪崩。在添加脉冲周期后，如图中绿色波形所示，电流ID到达5A，器材开端接受雪崩电压。再重复做一次UIS测验，如黑色波形所示，电流值变大，但由于负载电感器较小，直到电流值十分大时才到达失效能量。

图4：UIS试验，(a)雪崩进程开端时的波形；(b)施加终究两个脉冲时的波形。

图4（b）所示是终究一种状况的测验成果。蓝色波形是在一系列单脉冲后，器材失效前倒数第二个脉冲产生的波形，从图中能够看到，器材能够处理关断瞬变，耐受依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，雪崩电压均匀值为1668V。

赤色波形是在施加终究一个脉冲取得的失效波形，这时器材不再能够耐受雪崩能量，而且在t *时刻产生失效，漏极电流开端突然添加。

鲁棒性评价和雪崩测验

咱们用三组1200V SiC MOSFE做了UIS测验，表1列出了这三组器材的首要数据。

5（a）所示是测验等效电路图，5（b）所示是相关试验设备。QL是待测器材（DUT），测验方针是剖析DUT的关断特性。

表1：SiC MOSFET标准

图5：UIS试验设备: (a)等效电路, (b) 试验台 

设置A，B，C三种测验条件；施加周期递加的单脉冲序列，直到待测器材失效停止。

VDD=100V, VGS=-5/18V

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

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

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

为了便于核算，从D1，D2和D3三组器材中别离抽出五个样品，依照每种测验条件各做一次UIS试验，丈量和核算失效电流和失效能量，拜见图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材，依照测验条件“A”做UIS测验的VDS 和ID失效波形。

图6：UIS对RG终究测验成果：(a) 一个D3样品的VDS和ID典型值；(b)均匀失效能量EAV。 

为了清楚起见，只给出了RG ＝4.7Ω和47Ω两种状况的波形。咱们观察到，失效电流不受RGL的影响。图6（b）显现了D1，D2和D3三组的均匀EAV。

注意到EAV失效能量略有下降，可忽略不计，因而，能够得出定论，在UIS测验条件下，这些SiC MOSFET的鲁棒性与RG无关。

图7（a）和（b）所示是依照测验条件B，在L=50H 和1mH时，各做一次UIS测验的失效波形，为简略起见，只从SiC MOSFET D3中抽取一个典型样品做试验。

在进步负载电感后，电感器贮存的能量添加，因而，失效电流减小。

图7：UIS对L终究测验成果 (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) 均匀失效能量EAV.

图7(c)显现了D1，D2和D3的均匀EAV与L的联系，能够观察到，器材D3的失效能量EAV跟着负载电感进步而明显进步，而D1和D2的EAV则略有添加。经过剖析图8能够发现这种行为特性的原因。图8是依据等式(2)核算出来的结温Tj的散布图：

其间：T0是开始温度，PAV是均匀脉冲功率，Zth是芯片封装热阻，本次试验用的是不带散热器的TO247-3L封装。

电感器贮存能量的巨细与电感值有关，贮存能量将被施加到裸片上，转化成热能被耗散掉。

如图7（a）所示，低电感值会导致十分大的热瞬变，这是由于电流在几微秒内就到达了十分高的数值，如图7（a）所示，因而，结温在UIS期间上升十分快，但裸片没有够的时刻散掉热量。相反，在高电感值的状况下，电流值较低，如图7（b）所示，而且裸片有满足的时刻散掉热量，因而，温度上升平稳。

这个试验成果解说了为什么被测器材D3的EAV随负载电感进步而明显添加的原因，别的，它的裸片面积比SiC MOSFET D1和D2都大。

图8：典型D3器材的预算结温Tj对L曲线图。 

终究，在图9中报告了测验条件C的UIS测验成果，测验条件C是封装温度的函数，用热电偶丈量封装温度数值。

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。果然如此，D1，D2和D3三条线的趋势类似，作业温度越高，引起器材失效的EAV就越低，图9（b）。

图9：UIS对Tc的终究测验成果；（a）D3样品在不同的Tc时的VDS和ID典型值；（b）均匀失效能量EAV 对TC曲线

定论

本文讨论了在SiC MOSFET运用中需求考虑的或许致使功率器材处于雪崩状况的作业条件。为了评价SiC MOSFET的鲁棒性，本文经过试验测验评价了雪崩能量，终究还用三款特性不同的SiC MOSFET做比照测验，界说导致器材失效的最大雪崩能量。雪崩能量与芯片面积成正比，而且是栅极电阻、负载电感和外壳温度的函数。

这种在分立器材上进行的雪崩耐量剖析，引起运用电源模块开发运用的规划人员的高度重视，由于电源模块是由许多并联芯片组成，这些芯片的鲁棒性需求高度一致，有必要进行专门的测验剖析。此外，关于特定的运用，例如，轿车运用，评价雪崩条件下的鲁棒性，能够考虑运用单脉冲雪崩测验和重复雪崩测验办法。这是一个要点课题，将是近期评价活动的方针。