碳化硅功率器件已成為一種很有前途的技術(shù)，人們對降低能耗和在高開關頻率應用下運行的興趣日益濃厚。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。寬帶隙半導體器件的可用性使工程師能夠設計電力電子系統(tǒng)以滿足特定的應用要求。與 SiC 一樣，氮化鎵也屬于寬帶隙類別。在設計任何電力系統(tǒng)之前要考慮的一些主要因素是成本、效率、功率密度、復雜性和可靠性。

由于開關速度快且導通電阻低，SiC MOSFET 通常容易因短路事件而損壞。3安徽工業(yè)大學電氣與信息工程學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這意味著漏電流會導致故障電流，為了驗證這一點，使用了技術(shù)計算機輔助設計 (TCAD) 模擬。SiC JFET 和 SiC MOSFET 的電流分量描述了兩個 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，在高溫和高電場強度的應力下形成柵極漏電流，”該團隊解釋說。

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，設計了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。在這項研究中，研究人員明確指出，未考慮 SiC JFET 的柵極漏電流，因為柵極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)的漏電流表達式由熱產(chǎn)生電流 I th、雪崩電流 I av和擴散電流 I diff組成。然而，對于柵極氧化物中的漏電流，已經(jīng)提出了幾種方法，該團隊已經(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被認為對 SiC MOSFET 柵極氧化物的漏電流有貢獻。

圖 3：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的故障模型驗證

對于 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力的影響，并被加熱到相對于正常開關狀態(tài)更高的溫度。因此，溝道載流子的準確遷移率模型對于了解載流子行為對晶體管短路性能的影響非常重要。

驗證失效模型

對 SiC JFET 和 SiC MOSFET 開發(fā)的故障模型的驗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 的短路故障時間 (tSC) 為 150 μs，而 600 V 下的 SiC MOSFET 的短路故障時間 (tSC) 為 13 μs。（編者注：圖 3 顯示了參考文獻 24 和 25，在本文中被視為參考文獻 6 和 7。）

“取決于溫度和電場強度的載流子遷移率對于準確開發(fā) SiC 功率器件的故障模型是必要的，”該團隊指出。“此外，通過改變 I DS_LK的三個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備的故障。因此，短路期間的發(fā)熱電流決定了故障效應。”

圖 4：比較短路事件性能的示意圖

短路故障情況下的驗證如圖所示，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系數(shù)。

圖 5：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的兩種故障模式

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

審核編輯：湯梓紅