【技術貼】SiC MOSFET應用技術在雪崩條件下的魯棒性評估

意法半導體PDSA 2020-08-20 00:00

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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。如果器件在續流導通期間出現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環境保護相關的應用領域，例如，交通、工業、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、工作溫度方面表現更出色，可縮減功率變換器的體積和尺寸，同時提高能效[1]，[2]。

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，避免讓異常失效現象破壞系統的整體安全性[3]，[4]。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[5] [6]。

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V_DS超過擊穿電壓額定值時，會發生雪崩事件[7]。

對于dv_DS/dt 和 di_D/dt變化率很高的應用，在開關瞬變期間，V_DS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，將會產生電壓尖峰，在極端情況下，導致雪崩事件發生[7]，[14]，[16]。SiC MOSFET可能會出現這些工作條件，分立器件的dv_DS/dt可能輕松超過100V/ns，di_D/dt超過10A/ns [1]，[21]。

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備續流二極管的功能[18]。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，工作于雪崩狀態是無法避免的[13]。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，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也無法立即發揮作用[19]。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[7]-[13]。

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生這種現象。

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Q_H和Q_L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L_DH，L_SH，L_DL和L_SL，電源回路是指連接+ DC電路（V_DD）與Q_H漏極，Q_H源極至Q_L漏極，Q_L源極至-DC電路的電源軌。此外，L_GH，L_GL是Q_H和Q_L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C_GS，C_DS和C_GD，這些參數是漏極-源極電壓V_DS的函數[21]。

不難理解在下面兩個案例的極端工作條件期間產生的電壓尖峰：

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Q_L視為有源器件，它由適合的柵極驅動器電路控制；Q_H是無源器件，用作續流二極管，并且通常在相關終端施加-5V的恒定負柵極-源極電壓。

(a)

(b)

【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，Q_H 體二極管關斷時，V_GS, I_D和V_DS的典型波形。】

本節重點介紹在Q_L導通時Q_H體二極管的“反向恢復”過程。測試條件是175°C，V_DD=850V, I_D=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I_D及其變化率di_D/dt和工作溫度有關。圖2顯示了變化速率12A/ns 的I_D引起的Q_H體二極管硬恢復特性。由于結耗盡非常快，漏極-源極電壓V_DS以最快的速度上升。在di_D/dt 和 di_rr/dt與寄生電感的綜合作用下，尖峰電壓現象嚴重，并且在V_DS波形上看到振蕩行為。另外，V_GS波形出現明顯振蕩，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Q_L“關斷”時的相關參數波形。因為器件采用HIP247-4L封裝，3.3?的柵極電阻R_g加快了關斷瞬變，并且V_DS的峰值非常高（約1550V）。

【圖 3：在850V,130A條件下關斷Q_L，V_GS, I_D, V_DS和 P_off的典型波形。】

通過進一步降低R_g阻值提高關斷速度，將會引發雪崩事件，不過，在本實驗報告中沒有達到雪崩狀態。

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半橋轉換器為例，當Q_H續流二極管失效，致使器件關斷時，負載電流必須在關斷瞬變期間流經互補器件Q_L，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Q_L擊穿極限值為止。

這種失效機制與臨界溫度和熱量產生有關。SiC MOSFET沒有硅基器件上發現的其它失效模式，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Q_H的配置中做的，測試條件是V_DD=100V,V_GS=-5/18V, R_GL=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。Q_L正在傳導電流，在第一個脈沖時關斷，如圖中藍色的V_GS，V_DS和I_D的波形所示，有過電壓產生，V_DS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I_D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，器件失效前倒數第二個脈沖產生的波形，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據。 5（a）所示是測試等效電路圖，5（b）所示是相關實驗裝置。 Q _L 是待測器件（DUT），測試目標是分析DUT的關斷特性。

表1：SiCMOSFET規格

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。

【圖5：UIS實驗裝置: (a)等效電路, (b) 實驗臺】

V_DD=100V, V_GS=-5/18V

vs R_GL=4,7?, 10?, 47?, at L=50uH, Tc=25°C
vs L=50uH, 1mH, at R_GL=4,7?, Tc=25°C
vs T_c=25°C, 90°C, 200°C, at L=50uH, R_GL=4,7?

為了便于統計，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V_DS 和I_D失效波形。

【圖6：UIS對R_G最終測試結果：(a) 一個D3樣品的V_DS和I_D典型值；(b)平均失效能量E_AV。】

為了清楚起見，只給出了R_G ＝4.7Ω和47Ω兩種情況的波形。我們觀察到，失效電流不受R_GL的影響。圖6（b）顯示了D1，D2和D3三組的平均E_AV。

注意到E_AV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R_G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V_DS 和 I_D 典型值 (b)在L=1mH時, D3樣品的V_DS 和 I_D 典型值 (c) 平均失效能量E_AV.】

圖7(c)顯示了D1，D2和D3的平均E_AV與L的關系，可以觀察到，器件D3的失效能量E_AV隨著負載電感提高而顯著提高，而D1和D2的E_AV則略有增加。通過分析圖8可以發現這種行為特性的原因。圖8是根據等式(2)計算出來的結溫T_j的分布圖：

其中：T0是起始溫度，P_AV是平均脈沖功率，Z_th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就達到了非常高的數值，如圖7（a）所示，因此，結溫在UIS期間上升非常快，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。

這個實驗結果解釋了為什么被測器件D3的E_AV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，用熱電偶測量封裝溫度數值。

圖9（a）所示是D3在Tc=25°C，90℃和200℃三個不同溫度時的V_DS和I_D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E_AV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V_DS和I_D典型值；（b）平均失效能量E_AV對T_C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。

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應用的設計人員的高度關注，因為電源模塊是由許多并聯芯片組成，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。

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