了解 SiC MOSFET 功率模块并确保其短路安全性
为了提高 SiC 功率器件的可靠性，了解短路条件下的故障机制至关重要。虽然 SiC 理论上由于其更宽的带隙而具有更高的热极限，但实际约束（例如更高的电流密度和更小的芯片面积）限制了其短路耐受能力。为了解决这个问题，提出了一种基于短路电流和栅极电压的新安全标准，为 SiC 器件提供了一种实用且经济有效的方法来定义短路安全操作区 (SCSOA)，这对于确保其在不同操作条件下的可靠性至关重要。
实验实施所需的要求
丹麦奥尔堡大学对两种商用 SiC MOSFET 功率模块（Cree 的 1.2 kV/300 A 和 Rohm 的 1.2 kV/180 A）进行了无损检测 (NDT) 调查。如图 1 所示，NDT 设置涉及一个高压电源，为电容器组充电，以进行高达 10 kA 和 2.4 kV 的测试，而不会损坏设备。该系统包括保护开关、用于电流分配的计算机设计的母线以及用于信号控制和测量采集的 100 MHz FPGA。PC 有助于数据采集和远程控制，连接到示波器和 FPGA 板。使用 Cree 推荐的栅极驱动器 CGD15HB62P，并禁用去饱和保护。实验是在栅极发射极电压 +20 V/-6 V 和外部栅极电阻 5 Ω 的情况下进行的，确保在约 25°C 的外壳温度下具有适当的可控性。
图1：无损检测模型示意图。
另一方面，在软件部分，MATLAB 中具有用户友好型 GUI 的自动化工具有助于短路测试，确保最大一致性。用户输入测试参数，包括测试数量和脉冲间隔。然后，GUI 传递条件并启动测试，将序列传达给 FPGA。30 秒的停机时间允许设备在测试之间冷却。数据检查可防止通信期间出现致命错误，本地回声显示发送到 FPGA 的参数供用户参考。每次测试后，通过示波器的 Active-X 函数获取波形，捕获测试索引和时间戳数据以供存储。该系统便于重复测试，提供了一种评估设备性能的可靠方法，同时通过其直观的界面提供易用性。
取得的成果
A. 1.2 kV/300 A SiC MOSFET：图 2 描述了一个短路事件，其中 1.2 kV/300 A SiC MOSFET 在 600 V 偏压和 25°C 下在 3.2 μs 内发生故障。该器件在长达 3.1 μs 的时间内仍能正常工作，但在随后的脉冲中因热失控而发生故障。最初，漏极电流激增至 5 kA，然后下降，表明内部温度升高。由于芯片烧坏和短路，2 μs 后发生延迟故障。热失控归因于高关断状态漏电流激活寄生 BJT。观察到的另一种故障机制涉及由局部过热引起的栅极源短路，栅极氧化问题加剧了这种情况。更高的电压和温度加剧了栅极漏电。解决这些问题对于 SiC MOSFET 的可靠性至关重要。
图 2： SiC MOSFET 在 600 V 偏压和 25°C 下于 3.2 μs 内失效。
B. 1.2 kV/ 180 A SiC MOSFET：对 Rohm 的 1.2 kV/180 A SiC MOSFET 进行了短路测试，结果在 VDC = 800 V 时 7.2 μs 内发生故障。尽管该器件最初关闭了短路电流，但在 7 μs 后发生了热失控故障。观察到一个 MOSFET 芯片烧坏，电流尾部逐渐增加，表明漏极漏电较高。1.2 kV/180 A 器件的计算临界能量为 8.2 J。与 1.2 kV/300 A 器件相比，1.2 kV/180 A 模块由于其漏极饱和电流较低，表现出更高的短路稳定性，从而具有更好的温度应力处理能力。 1.2 kV/300 A 器件的临界短路能量为 6.9 J，而 1.2 kV/180 A 器件的临界短路能量为 8.2 J，表明后者具有更优异的承受更高温度应力的能力。
基于短路判据的推荐系统
所提出的技术展示了一种通过监测短路电流和栅源电压来表征 SiC MOSFET 的短路安全操作区 (SCSOA) 的方法。该方法涉及根据两个安全标准设置这些参数的限值。实验结果表明，该方法在预测短路故障方面取得了积极成果。该算法涉及设置短路电流 (I D,SOA ) 和栅源电压 (V G,SOA ) 的限值，然后进行增加短路脉冲长度的测试。每次测试后，都会分析采集的波形，如果超出限值，则存储数据以确定 SCSOA。如果未达到限值，则继续实验并延长脉冲长度。这种方法要求在每次测试后进行通过/失败评估，有助于防止 SiC MOSFET 出现短路故障。
图 3：1.2 kV/180 A SiC MOSFET，短路电流限制为 1.5 kA。
所提出的系统利用短路电流和结温之间的负关系。通过定义短路事件期间的最大允许结温，可以确定安全的漏极电流水平。测试证明了该方法在各种直流母线电压下的有效性，确保安全运行而不会超过预定义的电流限值。该策略涉及限制短路脉冲持续时间以防止热失控，并且栅极驱动器必须迅速做出反应，尤其是在较高的直流母线电压下。图 3 显示了系统测试时短路的有效性。
结论
进行了一项实验，以调查商用 1.2 kV SiC MOSFET 功率模块的短路耐受能力 (SCSOA)。通过检查其特性，本研究旨在了解其潜力和局限性，最终得出关于最佳操作实践的初步结论，以确保强大的 SCSOA。
确定了两种故障机制，与文献中记录的分立式 SiC MOSFET 故障机制一致。为此，提出了一种新技术来描述所研究的两个 SiC MOSFET 功率模块的 SCSOA，并结合了两个短路安全标准。该指南旨在提供安全裕度，减少典型 SCSOA 特性分析过程中不必要的故障。这些发现有助于提高 SiC MOSFET 功率模块在各种应用中的可靠性和运行效率。