Для повышения надежности силовых устройств SiC решающее значение имеет понимание механизмов отказа в условиях короткого замыкания. Хотя SiC теоретически обеспечивает более высокие температурные пределы из-за более широкой запрещенной зоны, практические ограничения, такие как более высокая плотность тока и меньшая площадь кристалла, налагают ограничения на его устойчивость к короткому замыканию. Для решения этой проблемы были предложены новые критерии безопасности, основанные на токе короткого замыкания и напряжении затвора, предлагающие практичный и экономически эффективный подход к определению зон безопасной эксплуатации при коротком замыкании (SCSOA) для устройств SiC, имеющих решающее значение для обеспечения их надежности в разнообразные условия эксплуатации.

Требования, необходимые для проведения эксперимента

Два коммерческих силовых модуля SiC MOSFET, Cree 1,2 кВ/300 А и Rohm 1,2 кВ/180 А, прошли неразрушающий контроль (NDT) в Ольборгском университете, Дания. Как показано на рисунке 1, установка НК включала в себя высоковольтный источник питания, заряжающий батарею конденсаторов для испытаний до 10 кА и 2,4 кВ без разрушения устройства. Система включала в себя защитные переключатели, компьютерную шину для распределения тока и FPGA 100 МГц для управления сигналами и сбора данных. ПК облегчает сбор данных и дистанционное управление, связанный с осциллографом и платой FPGA. Рекомендованный Cree драйвер затвора CGD15HB62P использовался с отключенной защитой от рассыщения. Эксперименты проводились при напряжениях затвор-эмиттер +20 В/-6 В и внешнем сопротивлении затвора 5 Ом, что обеспечивало надлежащую управляемость при температуре корпуса около 25°C.

Рисунок 1: Принципиальная схема модели неразрушающего контроля.

С другой стороны, в разделе программного обеспечения автоматизированный инструмент с удобным графическим интерфейсом в MATLAB помог провести тестирование короткого замыкания, обеспечив максимальную согласованность. Пользователи вводят параметры теста, включая количество тестов и интервал импульсов. Затем графический интерфейс передает условия и инициирует тесты, передавая последовательность действий в FPGA. 30-секундное время ожидания позволяет устройству охлаждаться между тестами. Проверка данных предотвращает фатальные ошибки во время связи, а локальное эхо отображает параметры, отправленные в FPGA для справки пользователя. После каждого теста сигналы собираются с помощью функций Active-X от осциллографа, фиксируя индекс теста и данные временных меток для хранения. Эта система облегчает проведение повторяющихся испытаний, обеспечивая надежный метод оценки производительности устройства и обеспечивая простоту использования благодаря интуитивно понятному интерфейсу.

Полученные результаты

A. SiC MOSFET 1,2 кВ/300 А. На рисунке 2 показано короткое замыкание, при котором SiC MOSFET 1,2 кВ/300 А выходит из строя за 3,2 мкс при смещении 600 В и температуре 25°C. Устройство продержалось до 3,1 мкс, но вышло из строя из-за теплового разгона в последующем импульсе. Первоначально ток стока увеличился до 5 кА, затем уменьшился, что указывает на повышение внутренней температуры. Отсроченный отказ произошел через 2 мкс из-за перегорания микросхемы и короткого замыкания. Термический разгон был связан с высоким током утечки в закрытом состоянии, активирующим паразитный биполярный транзистор. Другой наблюдаемый механизм отказа включал короткое замыкание затвор-исток, вызванное локальным перегревом, усугубленное проблемами с оксидом затвора. Более высокие напряжения и температуры усиливали утечку затвора. Решение этих проблем имеет решающее значение для надежности SiC MOSFET.

Рисунок 2. SiC MOSFET выходит из строя за 3,2 мкс при смещении 600 В и температуре 25°C.

Б. 1,2 кВ/180 А SiC MOSFET: были проведены испытания на короткое замыкание SiC MOSFET 1,2 кВ/180 A от Rohm, в результате чего произошел отказ в течение 7,2 мкс при VDC = 800 В. Через 7 мкс произошел отказ из-за теплового разгона, несмотря на первоначальное вращение устройства. отключить ток короткого замыкания. Наблюдался перегорание одного чипа MOSFET, при этом постепенно увеличивающийся хвост тока указывает на высокую утечку стока. Расчетная критическая энергия для устройства 1,2 кВ/180 А составила 8,2 Дж. По сравнению с устройством 1,2 кВ/300 А модуль 1,2 кВ/180 А продемонстрировал более высокую устойчивость к коротким замыканиям благодаря более низкому току насыщения стока, что привело к лучшим борьба с температурными нагрузками. Критическая энергия короткого замыкания составила 6,9 Дж для устройства 1,2 кВ/300 А и 8,2 Дж для устройства 1,2 кВ/180 А, что указывает на превосходную способность последнего выдерживать более высокие температурные нагрузки.

Предлагаемая система, основанная на критерии короткого замыкания

Предлагаемый метод демонстрирует метод определения характеристик зоны безопасной эксплуатации при коротком замыкании (SCSOA) SiC MOSFET путем мониторинга тока короткого замыкания и напряжения затвор-исток. Этот метод предполагает установление пределов этих параметров на основе двух критериев безопасности. Результаты экспериментов показывают положительные результаты в прогнозировании отказов от короткого замыкания. Алгоритм включает в себя установку пределов тока короткого замыкания (ID _,SOA ) и напряжения затвор-исток (V _G,SOA ), а затем проведение испытаний с увеличением длины импульса короткого замыкания. После каждого теста полученные сигналы анализируются, и если пределы нарушаются, данные сохраняются для определения SCSOA. Если пределы не соблюдены, эксперимент продолжается с большей длиной импульса. Этот подход требует оценки «прошел/не прошел» после каждого испытания, что помогает предотвратить отказы из-за короткого замыкания в SiC MOSFET.

Рисунок 3: SiC MOSFET 1,2 кВ/180 А, где предел тока короткого замыкания составляет 1,5 кА.

Предлагаемая система использует отрицательную зависимость между током короткого замыкания и температурой перехода. Определив максимально допустимую температуру перехода во время короткого замыкания, можно определить безопасный уровень тока стока. Испытания демонстрируют эффективность этого метода при различных напряжениях звена постоянного тока, обеспечивая безопасную работу без превышения заранее определенных пределов тока. Стратегия предполагает ограничение длительности импульса короткого замыкания для предотвращения теплового разгона, а драйверы затворов должны реагировать быстро, особенно при более высоких напряжениях в цепи постоянного тока. На рисунке 3 показана эффективность короткого замыкания при тестировании системы.

Заключение

Был проведен эксперимент по исследованию стойкости к короткому замыканию (SCSOA) коммерческих силовых модулей SiC MOSFET на напряжение 1,2 кВ. Посредством изучения их характеристик это исследование было направлено на понимание их потенциала и ограничений и, в конечном итоге, на получение первоначальных выводов об оптимальных эксплуатационных методах для обеспечения надежного SCSOA.

Были идентифицированы два механизма отказа, соответствующие описанным в литературе для дискретных SiC MOSFET. В ответ была предложена новая методика определения SCSOA двух исследованных силовых модулей SiC MOSFET, включающая два критерия безопасности при коротком замыкании. Это руководство служит для обеспечения запаса прочности, уменьшая ненужные сбои во время типичной характеристики SCSOA. Эти результаты способствуют повышению надежности и эксплуатационной эффективности силовых модулей SiC MOSFET в различных приложениях.