SiCMOSFET短路保護技術綜述

半導體工藝與設備 2022-05-26 07:00

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摘要

隨著電力電子技術的飛速發展，SiC MOSFET 以優異的材料特性在高頻、高壓、高溫電力電子應用中展現了顯著的優勢。然而，SiC MOSFET 較高的開關速度與較弱的短路承受能力對短路保護技術帶來了新的挑戰。該文首先介紹 SiC MOSFET 不同短路類型以及短路測試方法；其次對 SiC MOSFET 短路失效模式及失效機理進行分析；然后詳細梳理現有 SiC MOSFET 短路檢測與短路關斷技術的原理與優缺點，討論現有 SiC MOSFET 短路保護技術在應用中存在的問題與挑戰；最后對 SiC MOSFET 短路保護技術的發展趨勢進行展望。

0 引言

經過半個世紀的發展，傳統硅（Silicon, Si）功率半導體器件性能已達到極限，難以滿足新能源裝備高效、高功率密度等新的發展需求。

碳化硅（Silicon Carbide, SiC）金屬-氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）具有低開關損耗、高開關頻率、高耐壓值以及優異的溫度特性，在大功率電力電子應用中對散熱器的性能要求大大降低，使得整個電力電子裝置的轉換效率、功率密度及穩定性大幅提升。然而，短路故障是導致 SiC MOSFET 失效的重要原因之一，嚴重阻礙其應用。盡管 SiC MOSFET具有較好的導熱性能，但與 Si 器件和 SiC 場效應晶體管的短路性能相比，SiC MOSFET 的短路保護在以下幾個方面更具挑戰性。

首先，在相同額定電流容量下，SiC MOSFET芯片面積小、電流密度高，這就導致 SiC MOSFET短路承受能力較弱。在 600V 母線電壓下對 1 200V/ 33A SiC MOSFET 進行硬短路測試，被測器件在約13μs 后失效損壞，然而在短路發生約 5μs 時被測器件柵-源極泄漏電流突然增大，這表明柵-源極已經退化。

研究發現，在短路工況下，SiC MOSFET通道遷移率的正溫度系數高達 600K，這就導致 SiC MOSFET 的短路承受能力和魯棒性明顯低于 SiC 結型場效應晶體管。

其次，在短路工況下，SiC MOSFET 較弱的界面質量會帶來柵極氧化層可靠性問題，對 SiC MOSFET 的穩定工作產生負面影響。隨著制造商工藝的改進，該問題得到了有效緩解，但是短路發生時，器件結溫迅速升高到 125℃以上，FowlerNordheim 溝道電流進入電介質導致柵極氧化層出現明顯退化；由于 SiC MOSFET 需要更高的正向柵極偏壓，柵電場的增高會進一步加劇短路時柵極氧化層退化問題。

此外，為了確保 SiC MOSFET 可靠運行在安全工作區內，其較弱的短路承受能力就要求短路保護電路具有更快的響應速度。然而，與 Si 器件相比，SiC MOSFET 的結電容更小、開關速度更高。進三代半交流群，加vx:tuoke08。SiC MOSFET 獨特的正溫度系數跨導導致其開通時的dI/dt 和 dV/dt 隨著結溫的升高均增大。在較高的dI/dt 和 dV/dt 條件下，SiC MOSFET 短路保護電路的快速響應與抗噪聲能力難以兼顧。

上述研究表明，SiC MOSFET 短路保護難度大，短路時 SiC MOSFET 芯片更易受損。為了解決這一問題，國內外學者在 SiC MOSFET 短路保護方面做了很多工作，主要涵蓋 SiC MOSFET 短路測試方法、失效模式與失效機理、短路檢測方法以及關斷策略等。因此，本文旨在全面介紹 SiC MOSFET 短路保護技術，加深對短路故障的理解，為科研與技術人員在高頻、高效率電力電子場合更好地使用 SiC MOSFET 器件提供借鑒。

1 短路故障與測試方法

1.1 短路故障類型

按短路回路電感值的大小和短路位置可將短路故障分為一類短路和二類短路，短路的類型與特征見表 1。

由于短路回路電感較小，一類短路故障電流上升快，對功率器件危害大，保護難度較高。按照短路發生時刻，一類短路又可以分為硬開關故障（Hard Switching Fault, HSF）與負載故障（Fault Under Load, FUL）兩類。圖 1 所示為 SiC MOSFET 短路故障典型波形?？梢钥闯?，HSF 發生時刻在 SiC MOSFET開通瞬間，如圖 1a 所示。當 HSF 發生時，漏極電流 ID 快速上升到最大值，然后回落至穩定的短路電流值。由于回路電感極小，漏-源極電壓 VDS 小幅下降后又穩定在母線電壓；FUL 發生在 SiC MOSFET完全導通之后，如圖 1b 所示。當 FUL 發生時，短路電流從負載電流迅速上升，SiC MOSFET 兩端電壓也隨之上升至母線電壓。不論是 HSF 還是 FUL 發生時，SiC MOSFET 都承受著巨大的短路能量。由于 SiC MOSFET 芯片面積較小、電流密度較大，巨大的能量可能會在短時間內燒毀 SiC MOSFET。

1.2 短路測試方法

短路測試是研究功率器件短路特性、測試短路保護電路性能的重要方法。目前常見的 SiC MOSFET短路測試方法有兩種，各自優缺點和適用場合見表 2。

（1）基于雙脈沖測試的短路測試方法。該方法使用“粗短銅排”代替雙脈沖測試電路中的負載電感來模擬短路，如圖 2a 所示。當脈沖發生器向驅動器 1 發送高電平信號時，打開上橋臂 SiC MOSFET，再向驅動器 2 發送高電平信號，就可以實現 HSF；當脈沖發生器向驅動器 2 發送一個信號使待測 SiC MOSFET 正常開啟時，再向短路控制開關 S1 發送閉合信號使故障電感 L_Fault?接入功率回路，就可以實現FUL。

（2）基于非線性元件的無損短路測試方法。不同的 SiC MOSFET 短路測試方法如圖 2 所示。該方法是在被測 SiC MOSFET 的短路回路中串入非線性元件，如圖 2b 所示。非線性元件在額定電流時內阻較低，與 SiC MOSFET 相比飽和電流更小。當脈沖發生器通過驅動器 1 開啟該非線性元件時，再通過驅動器 2 開啟待測器件就可以模擬 HSF。當短路電流達到該元件的飽和電流時，短路電流就會被限制。當短路電流持續增大時，該元件就會“熔斷”。

基于雙脈沖測試的短路測試方法可以真實地模擬實際短路工況，但開關 S1 的引入不僅使成本和控制邏輯復雜性大幅增加，額外的寄生電感也使得對寄生電感更為敏感的 SiC MOSFET 短路測試風險增加。此外，由于短路回路阻抗小，短路電流上升速率快，很容易對 SiC MOSFET 造成損壞，所以該方法主要用于 SiC MOSFET 短路保護電路性能測試。

基于非線性元件的無損短路測試方法可以很好地保護被測 SiC MOSFET，避免嚴重損壞。為觀測SiC MOSFET 短路現象、研究失效機理以及芯片工藝改進保留有效的實驗樣本，但是非線性元件的引入使該測試不能真實地模擬短路故障。此外，非線性元件的選型以及成本也不容忽視。

2 SiC MOSFET 短路失效模式與機理

目前，SiC MOSFET 的短路失效模式主要有柵源極失效和熱逃逸失效[23-33]，兩者的失效條件、原因及特征詳見表 3。

2.1 柵-源極失效

圖 3 為 SiC MOSFET（DF23MR12W1M1）在母線電壓 V_dc=400V、柵-源極電壓 V_gs=20V 時的短路測試波形。在短路持續 16μs 后關斷 SiC MOSFET，關斷后的 SiC MOSFET 出現了柵-源極失效現象。在柵-源極失效前，隨著短路時間增加，柵-源極電壓明顯下降，短路電流出現拖尾。在柵-源極失效后，柵-源極短路但漏-源極完好，觀察 SiC MOSFET 芯片表面上沒有明顯可見損傷，但是在電子顯微鏡下，可以觀察到柵極多晶硅和源極鋁之間的柵極層間電介質中出現了裂紋。利用能量色散譜儀對裂紋處元素進行分析，可以觀測到裂紋上方的源區大量鋁遷移到了裂紋中，SiC MOSFET 柵-源極失效后的芯片如圖 4 所示。

研究表明，較大的短路電流導致器件結溫迅速升高，而 SiC MOSFET 柵極氧化層較薄且內部材料的熱膨脹系數不一致導致柵極氧化層在高溫時出現裂紋。當器件結溫超過源極金屬鋁的熔點時，被高溫熔化的源極鋁金屬將散入裂紋中導致 SiC MOSFET 柵極與源極短路，使其呈現低阻特性。因此，SiC MOSFET 柵-源極失效是高溫和熱應力的共同作用結果。由于 Si MOSFET 熱逃逸溫度閾值較低，柵-源極失效現象只會出現在高溫半導體器件中，如 SiC、GaN 器件。

2.2 熱逃逸失效

熱逃逸又稱熱失控，是器件內部溫度升高到一定程度后引起器件劣化使溫度進一步升高，最終導致某一種破壞性的結果。圖 5 為 SiC MOSFET（DF23MR12W1M1）在母線電壓 800V、柵-源極電壓 20V 時的短路測試波形。可以看到，在短路出現不到 5μs 時發生了熱逃逸失效，短路電流失去控制持續上升，直至 SiC MOSFET 燒毀。熱逃逸發生前，SiC MOSFET 柵-源極電壓出現了下降，說明柵-源極阻抗已經下降。

SiC MOSFET 熱逃逸失效與短路關斷過程中產生的漏極泄漏電流有很大關系。當短路時間達到一定程度時，SiC MOSFET 就會出現漏極泄漏電流，且隨著短路時間的增加，泄漏電流愈加明顯。當短路時間小于 SiC MOSFET 短路耐受時間時，即使在關斷時出現泄漏電流，泄露電流也會逐漸降低，SiC MOSFET 不會發生熱逃逸，但當短路時間大于等于短路耐受時間時，就會觸發熱逃逸。研究表明，SiC MOSFET 熱逃逸的原因是短路高溫和泄漏電流激活了內部寄生雙極結型晶體管致使漏-源極電流失控。

通過介紹兩種失效模式的現象和成因不難看出，短路能量較低時可能會導致 SiC MOSFET 柵源極失效，而短路能量較高時可能會使 SiC MOSFET發生熱逃逸失效。SiC MOSFET 柵-源極失效時不一定會發生熱逃逸失效，但是熱逃逸失效發生時必定伴隨有柵-源極失效。

3 SiC MOSFET 短路保護技術

SiC MOSFET 較弱的短路承受能力需要短路保護電路快速動作，但是較高的開關速度、開關振蕩以及關斷過電壓都給 SiC MOSFET 短路保護帶來了巨大挑戰。為了確保 SiC MOSFET安全可靠工作，快速可靠的短路檢測與短路關斷技術成為國內外學者研究的熱點問題。

3.1 短路檢測技術

目前，針對 SiC MOSFET 的短路檢測技術主要有退飽和檢測、寄生電感電壓檢測、電流傳感器法、分流器檢測、鏡像電流檢測和柵極電荷檢測六種，SiC MOSFET 短路檢測方法見表 4。下面將對上述方法的工作原理、優勢及存在的問題進行詳細介紹。

1）退飽和檢測

退飽和檢測原理簡單、成本低，廣泛應用于絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）短路保護中，但在 SiC MOSFET 的短路保護中采用該方法存在巨大挑戰，二極管式退飽和檢測如圖 6 所示。

圖 6a 為二極管式退飽和檢測電路。在 SiC MOSFET 導通時，當 A 點電壓 VA 上升超過閾值 V_th1時，比較器翻轉發出故障信號關斷器件。在 SiC MOSFET 關斷時，晶體管 VT₁?導通將 A 點電壓下拉至低電平，檢測電路被屏蔽。該檢測電路工作原理如圖 6b 所示，PWM 為高時，SiC MOSFET 開始導通，在完全導通前，由于 SiC MOSFET 漏極電壓值較高，二極管（V_DS1, …）反向截止，V_CC?通過 R_blk對 C_blk?充電，A 點電壓升高。在 SiC MOSFET 完全導通之前，需要預留足夠的盲區時間 Tbl 防止檢測電路誤觸發。當 SiC MOSFET 發生短路退出“飽和”狀態時，VA 將上升超過閾值 Vth1 導致比較器翻轉。

在 SiC MOSFET 完全開通后，A 點電壓 V_A?的大小可以表示為

式中，VD 為二極管正向導通壓降。

可以看出，A 點電位由 SiC MOSFET 導通壓降以及二極管的壓降決定。然而，在中大功率 SiCMOSFET 應用中，SiC MOSFET 導通壓降較高，然而較高的母線電壓就需要多個二極管串聯來提高反向擊穿耐壓，這就導致 A 點電位升高很可能觸及閾值 V_th1，進而引檢測電路誤觸發。此外，SiC MOSFET開通瞬間漏-源極電壓振蕩也增加了檢測電路誤觸發的風險。

此外，業內公認 IGBT 具有約 10μs 的短路承受時間，但對于 SiC MOSFET 的短路承受時間，各大功率半導體器件廠商都沒有形成共識。英飛凌對外宣稱其 Cool SiC MOSFET 具有 3μs 的短路承受時間，基本半導體的 SiC MOSFET 短路承受時間則為 6μs，CREE 和 Rohm 公司的 SiC MOSFET 短路承受時間約為 2μs。然而，商用 SiC MOSFET驅動器檢測盲區幾乎都在μs 級別，例如，CREE 公司的 PT62SCMD17 檢測盲區時間為 1μs，雖然該數值在器件廠商所提供的短路承受時間之內，但相比于 SiC MOSFET 的短路承受時間，μs 級別的檢測盲區使得退飽和檢測的響應速度顯的杯水車薪。研究表明，SiC MOSFET 即使承受 1μs 以內的短路應力，其電學特性也會發生退化，承受的短路時間越長、短路次數越多，SiC MOSFET 的電參數退化現象越明顯。因此，當 SiC MOSFET 發生短路時，應該在第一時間進行短路保護動作，檢測盲區的存在不僅會造成 SiC MOSFET 短路時的電參數退化進而影響開關性能，還會大大增加 SiC MOSFET短路失效的風險。

2）寄生電感電壓檢測

SiC MOSFET 模塊功率源極和輔助源極之間存在寄生電感，電流的變化會在寄生電感上感應出一個電壓值。由于短路時 SiC MOSFET 電流變化率 dI_D/dt 較大，因此可以通過檢測感應電壓值來檢測短路故障，最典型的方法就是 dI/dt 檢測，如圖7a 所示。圖 7b 為 dI/dt 檢測技術的工作原理，在正常開通過程中，快速上升的電流在 L_SS?上感應出一個負向電壓 V_SS，該電壓值與電流變化率成正比。當發生短路故障時，ID 迅速上升，負向 V_SS?觸發保護閾值 Vth3，短路器件被關斷。dI/dt 檢測時間短、易于集成在驅動芯片中，但對寄生電感引起的噪聲特別敏感。此外，由于 SiC MOSFET 開通時較高的dI_D/dt 會感應出較大的負向 V_SS，也可能觸發閾值V_th3?導致保護電路誤觸發。

鑒于此，華中科技大學 Wang Zhiqiang 等提出了基于電流評估的短路檢測電路，將寄生電感上感應的電壓利用 RC 積分電路得到對應電流值來實現短路檢測，電流評估短路保護如圖 8 所示，SiC MOSFET 漏極電流 ID 與輸出電壓 V_O?的關系為

可以看出，輸出電壓 V_O?隨著 ID 的增大而增加，當 V_O?達到閾值 V_th?時觸發比較器。將 SiC MOSFET寄生電感上的感應電壓轉換成電流進行短路保護，可以有效地避免開通電流上升斜率過大引起的誤觸發問題，但也存在一定缺陷。圖 8b 中，t₁?時刻，SiC MOSFET 正常開通，?V_O?隨 ID 增大而呈比例上升，RC 積分器可以正?！坝涗洝彪娏魃仙５?t₂?時刻后，ID 增大上升至負載電流水平，dI_D/dt 趨近于零，Cf 通過 L_SS?和 R_f?放電，?VO 逐漸減小。到 t3 時刻，VO 趨近于零。當 t4 時刻出現短路故障時，短路電流將在負載電流的基礎上快速上升，但?V_O?卻是從零上升，由于 HSF 和 FUL 使用的是同一閾值，因此FUL 電流峰值將遠大于 HSF。

為此，美國弗吉尼亞理工大學 Wang Jun 團隊提出了兩級 RC 型短路保護電路對 HSF 和 FUL 進行單獨檢測，改進的電流評估短路保護電路如圖 9 所示。通過加入電感 L_o?來減緩 FUL 時 C_o?放電現象。

電感 L_o?越大、C_o?放電越慢，但當 FUL 發生時刻大于一定值時，C_o?電位下降至零。此外，較大的電感值也會減緩?C_o?充電過程，導致 FUL 保護響應時間變慢。為此，河北工業大學 Xin Zhen 等則進一步對上述方案進行了改進，如圖 9b 所示[47]。利用二極管 VD_blo?的單向導電性來防止電容 C_s?放電，很好地解決了 FUL 發生時刻的不確定性所導致的 C_s?放電現象，但是電阻 R_blo?過大會同樣導致 HSF 和 FUL保護響應時間變慢。

3）電流傳感器

電流傳感器廣泛應用在電力設備電流測量中，如霍爾器件、羅氏線圈等，其原理簡單且可靠性高，功率回路和測量回路具備電氣隔離，但帶寬較低、體積較大，不適用于高頻、高功率密度的 SiC MOSFET短路保護應用。為此，Wang Jun 等設計了一種適用于SiC MOSFET 模塊短路保護的 PCB 型羅氏線圈，如圖 10 所示。不僅方便安裝，高達 200MHz 的帶寬可以對 SiC MOSFET 模塊漏極電流進行準確的采集，為 SiC MOSFET 模塊短路保護提供可靠保障。

然而，為了提高測量寬帶獲得更加精確的漏極電流，在 PCB 型羅氏線圈設計中需要增加線圈匝數。但是由于 SiC MOSFET 應用在高頻開關工況，增加 PCB線圈匝數會嚴重影響其抗擾動性能，可能導致短路保護電路誤觸發。此外，PCB 型羅氏線圈的信號還原電路實現較為復雜，嚴重阻礙了該方法的應用。

4）分流器檢測

分流器檢測通常在功率回路串入電阻、同軸分流器等線性元件來進行短路保護。在 SiC MOSFET 的短路保護中通常采用精度更高、響應速度更快且可靠性較高的同軸分流器。但是隨著功率回路電流的增加，同軸分流器所帶來的功耗以及高昂的成本不容忽視。為了解決該缺陷，北卡羅來納州立大學 B. J. Baliga 教授團隊將 Si MOSFET 串入SiC MOSFET 回路作為“分流器”，基于 Si MOSFET 非線性特性的短路保護電路如圖 11 所示，利用 Si MOSFET 漏極電壓和漏極電流成正比的特性，將漏極電壓作為 SiC MOSFET 短路檢測的依據。此外，通過給 Si MOSFET 柵-源極施加不同的偏置電壓，可以靈活調整其飽和電流來限制短路電流，防止 SiC MOSFET 短路損壞，但是 Si MOSFET 選型十分關鍵，在大電流應用場合，較高的損耗與成本使得該方法應用受到限制。

5）柵極電壓檢測

由于 HSF 發生時，SiC MOSFET 的柵極電荷值QG 遠小于正常開通過程中柵極電荷值，導致 HSF發生時柵極電壓 VGS 大于正常開通過程，柵極電壓檢測原理如圖 12 所示，因此通過檢測 SiC MOSFET開通過程中柵極電壓可以間接檢測 HSF。該方法優點是無檢測盲區。然而，SiC MOSFET 的密勒電容較小，HSF 發生時柵極電壓特征差異不明顯，采用該方法容易造成保護電路誤觸發。其次，FUL時 SiC MOSFET 柵極電壓已經為最大正向電壓，因此該方法不能對 FUL 進行檢測。

3.2 短路關斷策略

當檢測電路檢測到短路故障后應快速關斷 SiC MOSFET。然而，快速的關斷勢必會引起較高的關斷過電壓，導致 SiC MOSFET 因過電壓而損壞。防止關斷過電壓的常用方法就是采用軟關斷技術，常見短路軟關斷技術有兩種：

（1）大電阻關斷。大電阻關斷是在檢測到短路后，利用大阻值柵電阻來減緩關斷電流下降速率從而實現關斷過電壓的抑制。然而，大電阻關斷在抑制關斷過電壓的同時也致使關斷延遲時間增大，導致 SiC MOSFET 不能及時關斷。為此，文獻提出基于多級柵電阻的軟關斷策略，在關斷過程中采用不同柵極電阻關斷 SiC MOSFET 短路電流，從而兼顧了 SiC MOSFET 短路關斷過電壓與關斷延遲時間，但大電阻關斷可能導致 SiC MOSFET因關斷損耗過大而發生失效。

（2）降柵壓關斷。降柵壓關斷是在檢測到短路后，先緩慢降低柵極電壓，使 SiC MOSFET 維持導通狀態。在較低柵極電壓下，SiC MOSFET 漏極電流會被限制在較低水平，經過一定延遲后，再采用負壓關斷短路電流。該方法通過緩降柵壓抑制短路電流，從而降低短路關斷過電壓，但是該方法需要多種柵極電壓，電路結構實現復雜。

4 結論

通過上述分析可知，SiC MOSFET 高速開關特性以及現有工藝技術導致其短路承受能力較弱，而現有短路保護技術普遍存在響應速度慢、易誤觸發、電路復雜以及成本高等缺點，這些問題嚴重威脅SiC MOSFET 的安全運行，阻礙 SiC MOSFET 的廣泛應用。因此，未來的挑戰與研究課題主要涉及以下幾個方面：

1）SiC MOSFET 短路承受能力提升。柵極可靠性問題嚴重制約著 SiC MOSFET 為代表的寬禁帶半導體器件短路承受能力。隨著科學技術的發展，新的器件結構、新的制造工藝和新興材料的研發將是提升其柵極可靠性、改善短路承受能力的關鍵所在。

2）SiC MOSFET 的短路檢測技術。相比于IGBT，SiC MOSFET 開關速度更快，短路承受能力較弱，電磁干擾更嚴重。因此，現有短路檢測方法已不能滿足 SiC MOSFET 應用中短路檢測的技術需求，研發適用于 SiC MOSFET 的快速、可靠短路檢測技術將是未來研究方向之一。

3）SiC MOSFET 短路關斷策略。SiC MOSFET短路承受能力弱，短路時需要快速關斷短路電流，而較快的電流變化很可能導致 SiC MOSFET 因過電壓擊穿而損壞。傳統短路軟關斷策略不能權衡關斷損耗和關斷過電壓之間關系，很可能造成SiC MOSFET在軟關斷過程中發生熱逃逸或柵極失效。因此，權衡關斷損耗和過電壓的 SiC MOSFET 短路關斷策略也將是未來研究課題之一。

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