- 頭條西安理工大學科研人員發表SiC MOSFET短路保護技術的研究綜述2022-10-06 作者：文陽、楊媛 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為了全面介紹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，西安理工大學自動化與信息工程學院、西安思源學院工學院的研究人員文陽、楊媛、寧紅英、張瑜、高勇，在2022年第10期《電工技術學報》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理，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，對現有SiC MOSFET短路保護技術在應用中存在的問題與挑戰進行討論，并展望SiC MOSFET短路保護技術的發展趨勢。
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1200V/ 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，Fowler- Nordheim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。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。
為了全面介紹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，西安理工大學自動化與信息工程學院、西安思源學院工學院的研究人員文陽、楊媛、寧紅英、張瑜、高勇，在2022年第10期《電工技術學報》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理，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，對現有SiC MOSFET短路保護技術在應用中存在的問題與挑戰進行討論，并展望SiC MOSFET短路保護技術的發展趨勢。
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，他們認為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。
本文編自2022年第10期《電工技術學報》，論文標題為“SiC MOSFET短路保護技術綜述”。本課題得到了國家自然基金項目、陜西省教育廳專項科學研究計劃項目和陜西省創新能力支撐計劃項目的支持。
