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經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)硅（Silicon, Si）功率半導(dǎo)體器件性能已達(dá)到極限，難以滿足新能源裝備高效、高功率密度等新的發(fā)展需求。碳化硅（Silicon Carbide, SiC）金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）具有低開關(guān)損耗、高開關(guān)頻率、高耐壓值以及優(yōu)異的溫度特性，在大功率電力電子應(yīng)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(zhuǎn)換效率、功率密度及穩(wěn)定性大幅提升。然而，短路故障是導(dǎo)致SiC MOSFET失效的重要原因之一，嚴(yán)重阻礙其應(yīng)用。盡管SiC MOSFET具有較好的導(dǎo)熱性能，但與Si器件和SiC場效應(yīng)晶體管的短路性能相比，SiC MOSFET的短路保護(hù)在以下幾個方面更具挑戰(zhàn)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(dǎo)致SiC MOSFET短路承受能力較弱。在600V母線電壓下對1200V/ 33A SiC MOSFET進(jìn)行硬短路測試，被測器件在約13μs后失效損壞，然而在短路發(fā)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(jīng)退化。研究發(fā)現(xiàn)，在短路工況下，SiC MOSFET通道遷移率的正溫度系數(shù)高達(dá)600K，這就導(dǎo)致SiC MOSFET的短路承受能力和魯棒性明顯低于SiC 結(jié)型場效應(yīng)晶體管。

其次，在短路工況下，SiC MOSFET較弱的界面質(zhì)量會帶來柵極氧化層可靠性問題，對SiC MOSFET的穩(wěn)定工作產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著制造商工藝的改進(jìn)，該問題得到了有效緩解，但是短路發(fā)生時，器件結(jié)溫迅速升高到125℃以上，F(xiàn)owler- Nordheim溝道電流進(jìn)入電介質(zhì)導(dǎo)致柵極氧化層出現(xiàn)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(jìn)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(yùn)行在安全工作區(qū)內(nèi)，其較弱的短路承受能力就要求短路保護(hù)電路具有更快的響應(yīng)速度。然而，與Si器件相比，SiC MOSFET的結(jié)電容更小、開關(guān)速度更高。SiC MOSFET獨(dú)特的正溫度系數(shù)跨導(dǎo)導(dǎo)致其開通時的dI/dt和dV/dt隨著結(jié)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(hù)電路的快速響應(yīng)與抗噪聲能力難以兼顧。

上述研究表明，SiC MOSFET短路保護(hù)難度大，短路時SiC MOSFET芯片更易受損。為了解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者在SiC MOSFET短路保護(hù)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(jī)理、短路檢測方法以及關(guān)斷策略等。

為了全面介紹SiC MOSFET短路保護(hù)技術(shù)，加深對短路故障的理解，為科研與技術(shù)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，西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院、西安思源學(xué)院工學(xué)院的研究人員文陽、楊媛、寧紅英、張瑜、高勇，在2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，介紹了SiC MOSFET不同短路類型以及短路測試方法，分析SiC MOSFET短路失效模式及失效機(jī)理，詳細(xì)梳理現(xiàn)有SiC MOSFET短路檢測與短路關(guān)斷技術(shù)的原理與優(yōu)缺點(diǎn)，對現(xiàn)有SiC MOSFET短路保護(hù)技術(shù)在應(yīng)用中存在的問題與挑戰(zhàn)進(jìn)行討論，并展望SiC MOSFET短路保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

表1 短路的類型與特征

表2 SiC MOSFET短路測試方法對比

表3 SiC MOSFET短路失效模式對比

表4 SiC MOSFET短路檢測方法

研究人員通過分析指出，SiC MOSFET高速開關(guān)特性以及現(xiàn)有工藝技術(shù)導(dǎo)致其短路承受能力較弱，而現(xiàn)有短路保護(hù)技術(shù)普遍存在響應(yīng)速度慢、易誤觸發(fā)、電路復(fù)雜以及成本高等缺點(diǎn)，這些問題嚴(yán)重威脅SiC MOSFET的安全運(yùn)行，阻礙SiC MOSFET的廣泛應(yīng)用。

因此，他們認(rèn)為未來的挑戰(zhàn)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(yán)重制約著SiC MOSFET為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件短路承受能力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的器件結(jié)構(gòu)、新的制造工藝和新興材料的研發(fā)將是提升其柵極可靠性、改善短路承受能力的關(guān)鍵所在。

2）SiC MOSFET的短路檢測技術(shù)。相比于IGBT，SiC MOSFET開關(guān)速度更快，短路承受能力較弱，電磁干擾更嚴(yán)重。因此，現(xiàn)有短路檢測方法已不能滿足SiC MOSFET應(yīng)用中短路檢測的技術(shù)需求，研發(fā)適用于SiC MOSFET的快速、可靠短路檢測技術(shù)將是未來研究方向之一。

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

本文編自2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“SiC MOSFET短路保護(hù)技術(shù)綜述”。本課題得到了國家自然基金項(xiàng)目、陜西省教育廳專項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目和陜西省創(chuàng)新能力支撐計(jì)劃項(xiàng)目的支持。