碳化硅功率器件已成為一種很有前途的技術(shù)，人們對(duì)降低能耗和在高開關(guān)頻率應(yīng)用下運(yùn)行的興趣日益濃厚。碳化硅還可以維持較高的工作溫度，使其成為工業(yè)環(huán)境的合適候選者。寬帶隙半導(dǎo)體器件的可用性使工程師能夠設(shè)計(jì)電力電子系統(tǒng)以滿足特定的應(yīng)用要求。與 SiC 一樣，氮化鎵也屬于寬帶隙類別。在設(shè)計(jì)任何電力系統(tǒng)之前要考慮的一些主要因素是成本、效率、功率密度、復(fù)雜性和可靠性。

由于開關(guān)速度快且導(dǎo)通電阻低，SiC MOSFET 通常容易因短路事件而損壞。3安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院的一組研究人員展示了兩種常用功率器件中 SiC 器件在短路事件中的失效模型：SiC MOSFET（來自 Cree 的 N 溝道增強(qiáng)型 SiC MOSFET ) 和 SiC JFET（通常在英飛凌的 SiC JFET 上）。

開發(fā)短路事件中 SiC 晶體管的故障模型

在 Wang 等人提出的一篇論文中，研究表明在短路事件下，故障電流高于功率器件的額定電流。5這意味著漏電流會(huì)導(dǎo)致故障電流，為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，使用了技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (TCAD) 模擬。SiC JFET 和 SiC MOSFET 的電流分量描述了兩個(gè) SiC 晶體管中的空穴電流密度。分析執(zhí)行文件，我們可以得出結(jié)論，高密度空穴電流流過晶體管的 N 漂移區(qū)和 P 基區(qū)之間的 pn 結(jié)。“TCAD 仿真還表明，對(duì)于 SiC MOSFET，高濃度載流子聚集在 JFET 區(qū)域的頂部；其中一小部分注入到柵極氧化物中，在高溫和高電場(chǎng)強(qiáng)度的應(yīng)力下形成柵極漏電流，”該團(tuán)隊(duì)解釋說。

圖 1：失效前 SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的空穴電流密度分布

考慮到漏電流的引入，設(shè)計(jì)了SiC JFET和 SiC MOSFET的故障模型示意圖。虛線框中的結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)電路模型的一部分，與溝道電流 I CH并聯(lián)的附加電流分量 I DS_LK是通過 N 漂移區(qū)和 P 基區(qū)之間的 pn 結(jié)的漏電流。晶體管。在這項(xiàng)研究中，研究人員明確指出，未考慮 SiC JFET 的柵極漏電流，因?yàn)闁艠O上沒有電壓偏置來開啟器件。

圖 2：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的故障模型

通過 pn 結(jié)的漏電流表達(dá)式由熱產(chǎn)生電流 I th、雪崩電流 I av和擴(kuò)散電流 I diff組成。然而，對(duì)于柵極氧化物中的漏電流，已經(jīng)提出了幾種方法，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)考慮了 Fowler-Nordheim (FN) 隧穿和 Poole-Frenkel (PF) 發(fā)射。因此，電流 I FN和 I PF被認(rèn)為對(duì) SiC MOSFET 柵極氧化物的漏電流有貢獻(xiàn)。

圖 3：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的故障模型驗(yàn)證

對(duì)于 SiC MOSFET 的電路仿真，使用基于 Shichman-Hodges 物理模型的 SPICE Level 1 模型來描述三種模式——截止區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū)——而對(duì)于 SiC JFET，Shockley 物理模型是用過的。通常，在短路事件中，溝道中的電荷載流子受到較高電流應(yīng)力的影響，并被加熱到相對(duì)于正常開關(guān)狀態(tài)更高的溫度。因此，溝道載流子的準(zhǔn)確遷移率模型對(duì)于了解載流子行為對(duì)晶體管短路性能的影響非常重要。

驗(yàn)證失效模型

對(duì) SiC JFET 和 SiC MOSFET 開發(fā)的故障模型的驗(yàn)證是在短路故障情況下完成的，圖中顯示了從模型中獲得的故障電流與本文中給出的結(jié)果的比較。6,7結(jié)果表明，在 400 V 直流電壓下，SiC JFET 的短路故障時(shí)間 (tSC) 為 150 μs，而 600 V 下的 SiC MOSFET 的短路故障時(shí)間 (tSC) 為 13 μs。（編者注：圖 3 顯示了參考文獻(xiàn) 24 和 25，在本文中被視為參考文獻(xiàn) 6 和 7。）

“取決于溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度的載流子遷移率對(duì)于準(zhǔn)確開發(fā) SiC 功率器件的故障模型是必要的，”該團(tuán)隊(duì)指出。“此外，通過改變 I DS_LK的三個(gè)電流分量的組合方式，可以得出結(jié)論 I TH決定了所開發(fā)的模型是否可以模擬設(shè)備的故障。因此，短路期間的發(fā)熱電流決定了故障效應(yīng)。”

圖 4：比較短路事件性能的示意圖

短路故障情況下的驗(yàn)證如圖所示，V DC為直流母線電壓，R S為電路回路的雜散電阻，R G為柵極電阻，DUT 為器件（SiC JFET或碳化硅 MOSFET）。圖中展示了兩種失效模式，紅色曲線為第一種失效模式，藍(lán)色曲線為第二種失效模式。注意到的一些參數(shù)是 SiC JFET 的失效時(shí)間比 SiC MOSFET 長得多，并且 SiC JFET 的飽和電流低于 SiC MOSFET。這些變化的原因是載流子遷移率的溫度相關(guān)系數(shù)。

圖 5：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的兩種故障模式

“對(duì)于立即失效，SiC JFET 表現(xiàn)出比 SiC MOSFET 更好的短路能力，并且 SiC JFET 的失效時(shí)間和臨界失效能量都高于 SiC MOSFET，”該團(tuán)隊(duì)總結(jié)道。“對(duì)于延遲失效，在較低的直流母線電壓下，SiC JFET 的失效時(shí)間遠(yuǎn)長于 SiC MOSFET；然而，對(duì)于更高的直流母線電壓，兩個(gè) SiC 晶體管的故障時(shí)間差異似乎很小。”

審核編輯：湯梓紅