SiC MOSFET應用技術在雪崩條件下的魯棒性評估

摘要

本文將探討如何在雪崩工作條件下評估SiC MOSFET的魯棒性。MOSFET功率變換器，特別是電動汽車驅動電機功率變換器，需要能夠耐受一定的工作條件。如果器件在續(xù)流導通期間出現(xiàn)失效或柵極驅動命令信號錯誤，就會致使變換器功率開關管在雪崩條件下工作。因此，本文通過模擬雪崩事件，進行非鉗位感性負載開關測試，并使用不同的SiC MOSFET器件，按照不同的測試條件，評估技術的失效能量和魯棒性。

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)境保護相關的應用領域，例如，交通、工業(yè)、能源轉換等，標準硅基功率開關管已被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換器開關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，在開關瞬變期間，VDS可能會超過擊穿電壓額定值。高瞬變率結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注的重點，例如，電動汽車的驅動電機逆變器、工業(yè)伺服電機等，這些應用的負載具有典型的電感特性，要求功率開關還必須兼?zhèn)淅m(xù)流二極管的功能。因此，在二極管關斷時，其余器件將傳導負載電流，進行非鉗位感性負載開關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。但是，除了安全保護和最佳設計規(guī)則外，功率開關管還必須強健結實，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頻率的應用都會發(fā)生這種現(xiàn)象。

以基于半橋轉換器的應用為例，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換器電路原理圖，電路中有兩個SiC MOSFET開關管，分別用QH和QL表示，除開關管外，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。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)。

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斷

2) 有源器件關斷，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，并且通常在相關終端施加-5V的恒定負柵極-源極電壓。

圖1：半橋轉換器橋臂：(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。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。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。

通過優(yōu)化轉換器電路板布局，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“關斷”時的相關參數(shù)波形。因為器件采用HIP247-4L封裝，3.3?的柵極電阻Rg加快了關斷瞬變，并且VDS的峰值非常高(約1550V)。

圖 3：在850V, 130A條件下關斷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。

以前文提到的圖1半橋轉換器為例，當QH續(xù)流二極管失效，致使器件關斷時，負載電流必須在關斷瞬變期間流經(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。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。在UIS條件下的雪崩能量測試結果被用于定義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。

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)所示是相關實驗裝置。QL是待測器件(DUT)，測試目標是分析DUT的關斷特性。

表1：SiC MOSFET規(guī)格

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。

圖6：UIS對RG最終測試結果：(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，可以得出結論，在UIS測試條件下，這些SiC MOSFET的魯棒性與RG無關。

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)計算出來的結溫Tj的分布圖：

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，儲存能量將被施加到裸片上，轉換成熱能被耗散掉。

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。