作者簡介 PROFILE
趙佳
碳化硅專家里最會寫的，不間斷傳遞硬核技術(shù)
在新能源、工控、儲能等高壓大功率場景中，溝槽柵 SiC MOSFET憑借優(yōu)異的開關(guān)性能被廣泛應(yīng)用。但在電機驅(qū)動、電源轉(zhuǎn)換等感性負(fù)載場景中，MOSFET關(guān)斷時因電流突變會在漏源極間產(chǎn)生高壓尖峰。若無鉗位電路吸收能量，器件可能進入雪崩擊穿狀態(tài)，輕則參數(shù)劣化，重則直接燒毀。雪崩穩(wěn)健性是衡量 SiC MOSFET 可靠性的核心指標(biāo)，今天結(jié)合實測案例與圖表，拆解動態(tài)雪崩測試原理、單脈沖 / 重復(fù)雪崩耐量區(qū)別，以及失效模式。
01
動態(tài)雪崩測試（UIS）原理
電路布線電感、器件封裝電感、負(fù)載電感等電感，是觸發(fā) SiC MOSFET 雪崩的核心誘因。器件關(guān)斷瞬間，電感產(chǎn)生反向電動勢，疊加電源電壓超過器件擊穿電壓時，雪崩現(xiàn)象發(fā)生，電感儲存的能量將全部由器件耗散。
行業(yè)統(tǒng)一采用JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)非鉗位感性開關(guān)測試（UIS） 表征雪崩特性，其核心在于模擬器件在感性負(fù)載關(guān)斷過程中因無外部鉗位保護而被迫吸收全部雪崩能量的場景。UIS測試通過人為構(gòu)造非鉗位拓?fù)洌苯釉u估器件在雪崩模式下的能量耐受極限，為設(shè)計高可靠性系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。
UIS典型測試電路：
1. 直流母線電壓源（VDD）：提供恒定測試電壓，并非實際系統(tǒng)的母線電壓，通常只需幾十伏。
2. 負(fù)載電感（L）：模擬感性負(fù)載特性，其值由目標(biāo)雪崩能量及測試條件決定，典型范圍為數(shù)十μH至數(shù)mH。
3. 被測器件（DUT）：通常為功率MOSFET或IGBT，需配置高速驅(qū)動電路以精確控制柵極時序。
UIS測試過程可劃分為兩個關(guān)鍵階段：
1.
負(fù)載電感充電階段（t?-t?）
t?時刻，向 DUT 施加正向柵壓（Vgs(on)），器件導(dǎo)通。電感電流線性上升，斜率由 Vdd 和 L 決定。DUT 器件流過的電流與電感電流相同，此時器件充分導(dǎo)通，兩端電壓 Vds 非常低，可忽略不計。
此時電感儲存的能量即為下一階段器件需耗散掉的雪崩能量 ，計算方法為：
2.
雪崩階段（t?-t?）
t?時刻，DUT 柵壓突降至零或負(fù)壓（Vgs(off)），器件關(guān)斷。電感電流無法突變，只能通過 DUT 慢慢耗散掉， 迫使 DUT 進入雪崩擊穿狀態(tài)。DUT 漏源電壓（VDS）迅速上升至雪崩電壓（BVDSS）。雪崩電流由峰值（Iav）線性下降，速率由雪崩電壓和電感決定：
器件承受的雪崩能量：
式中：L為電感值，Iav為雪崩關(guān)斷電流，BVDSS為雪崩擊穿電壓，tav為雪崩持續(xù)時間。
02
單脈沖雪崩耐量(EAS)：器件的極限抗沖擊能力
單脈沖雪崩測試考驗器件的單次抗雪崩極限沖擊能力，方法為：給器件施加單個電流脈沖，逐步提升電流脈沖幅值，直至器件失效，以此界定器件單次極端雪崩的破壞極限。本次測試對象為擊穿電壓 1650V的溝槽型SiC MOSFET，初始溫度Tstart= 298K (即25℃)，搭配不同電感開展測試，結(jié)果見下圖 。
1650V 溝槽型 SiC MOSFET 有效雪崩能量密度與雪崩電流密度關(guān)系
(a) 初始溫度 298K；(b) 初始溫度 298K/348K/398K/448K，電感 2620 μH
從上圖中可以看出：
1. 器件雪崩能力和雪崩對應(yīng)的 p-n 結(jié)區(qū)域面積 Adiode相關(guān)，同工藝器件需用雪崩能量密度(Eav/Adiode)而非單純根據(jù)雪崩能量(mJ)評判耐量；
2. 溫度影響顯著：隨著器件起始溫度升高，SiC MOSFET 的雪崩耐受能力明顯下降。
如果需要耗散更大的雪崩能量，那么可以使用具有更高雪崩電壓的器件。這是因為雪崩擊穿電壓高的器件往往具有更厚的漂移區(qū)，雪崩產(chǎn)生的熱量可在更大的芯片體積內(nèi)分散耗散，因此器件能承受的雪崩能量越高。另外，從下表也能看出 ，如果雪崩持續(xù)時間越長，單位面積的芯片可承受的雪崩能量越大，器件更難達(dá)到破壞極限。
溝槽型 SiC MOSFET 最后有效雪崩能量密度與雪崩時間關(guān)系（擊穿電壓 850V、1650V、4850V）
失效波形與失效點位
為了更好地理解動態(tài)失效機理，我們來比較下正常波形與失效波形 。在臨界工況下，器件可在 1650V 擊穿電壓下正常流過雪崩電流，直至電感中的能量釋放完畢；在失效波形中，失效出現(xiàn)在雪崩周期約 2/3 位置（周期后半段），和電流驅(qū)動型閂鎖失效（雪崩初期失效）有明顯區(qū)別。熱仿真結(jié)果顯示：無論擊穿電壓、漂移區(qū)厚度如何差異，器件失效前最高結(jié)溫均達(dá)到約 1250 K，證實SiC MOSFET 為溫度驅(qū)動型失效，而非電流驅(qū)動失效。
1650V 器件雪崩波形
(a) 失效前正常波形；(b) 失效波形
芯片開封分析顯示，所有失效點均集中在芯片有源區(qū)，是單脈沖雪崩的典型失效現(xiàn)象。
1650V 器件失效點位實拍
(a) 柵極焊盤附近；(b) 鍵合線下方
03
重復(fù)雪崩耐量(EAR)：器件的長期抗疲勞能力
重復(fù)雪崩耐量的核心考核點在于器件在數(shù)萬次循環(huán)雪崩應(yīng)力下的參數(shù)穩(wěn)定性，測試前后重點監(jiān)測RDS(on)、VGS(th)、Vbr 結(jié)電容等核心參數(shù)。
實測案例
使用10個實際擊穿電壓為1650V的器件進行考核。測試條件：初始溫度 298 K，電感 L=4.9mH，雪崩電流 Iav= 7.1A，雪崩時長 tav= 23.3us，單脈沖雪崩能量 Eav = 0.6mJ，共20000次雪崩事件。
圖 39：1650V 溝槽型 SiC MOSFET 經(jīng)過 20000 次重復(fù)雪崩脈沖前后參數(shù)變化
測試結(jié)果：在該額定工況下，CoolSiC? MOSFET器件經(jīng)過 20000 次重復(fù)雪崩測試后，結(jié)電容Crss、導(dǎo)通電阻RDS(on)、閾值電壓VGS(th)均無明顯變化，器件未發(fā)生性能退化。
補充說明：若超出器件規(guī)格、長期施加嚴(yán)苛重復(fù)雪崩應(yīng)力，會造成參數(shù)漂移、器件加速老化失效。
單脈沖雪崩與重復(fù)雪崩耐量核心區(qū)別對照表
04
總結(jié)
雪崩穩(wěn)健性是溝槽式 SiC MOSFET 可靠性的重要指標(biāo)， UIS 測試是量化雪崩能力的標(biāo)準(zhǔn)方法，雪崩能量定義分為單脈沖雪崩能量(EAS)與重復(fù)雪崩能量(EAR)：
單脈沖雪崩考驗器件瞬時抗沖擊極限，失效由結(jié)溫超標(biāo)導(dǎo)致，漂移區(qū)厚度、擊穿電壓、芯片面積、工作溫度均為關(guān)鍵影響因素；
重復(fù)雪崩考驗器件長期循環(huán)穩(wěn)定性，額定工況下數(shù)萬次脈沖不會造成參數(shù)劣化，超規(guī)格使用則會加速老化。
實際項目中，需要區(qū)分兩類雪崩應(yīng)用場景，并搭配合理的器件選型與電路設(shè)計。英飛凌最新一代 CoolSiC? MOSFET, 在全系列單管產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊中，都標(biāo)注了 單脈沖雪崩耐量和重復(fù)雪崩耐量，為電力電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性保駕護航。
IMZA120R034M2H
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