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高压碳化硅雪崩耐量测试 2022-04-27 15:27
参考文献：徐晓筱，高压碳化硅雪崩耐量测试【D】，浙江大学，2021
（转载请注明出处及作者）
SiC基功率MOSFET的制备技术日渐成熟，作为商业产品被应用于大功率的电力电子场合中，其应用领域分布如图1.6所示。同时，它也成为了电路系统中失效率最高的器件之一。研究表明，超八成的器件失效是由于使用失效，而其中约70%是由于电应力导致的退化失效。目前，SiC MOSFET已被广泛地研究应用于快速开关功率转换器，这意味着需要高的du/dt和di/dt。在负载为螺线管或电动机的情况下或者线束、电路板布局引起的某种杂散电感，导致器件快速开关过程中产生过压或振铃，由此产生的过电压可能会损坏器件，从而造成电力电子电路故障。其中，器件关断时产生的反电动势迫使MOSFET进入雪崩击穿状态，被认为是器件遭遇的最恶劣的电应力情况。在DC-DC Boost变换器、Flyback 变换器和汽车应用等的场合中，开关设备均会遭遇电压过大的状况。当高频开关功率电路中的高电流变化率（即di/dt）与寄生电感一起作用使感应电压增大，电压过压的情况将更加严重，这对将SiC MOSFET 引入主流电力电子应用提出了严峻的挑战。因此，分析SiC 功率MOSFET 的雪崩特性，揭示影响雪崩特性的关键因素，对其稳定性和可靠性进行评估，对于提高工业产品可靠性有重要的理论指导意义。
在感性负载电路中，如果MOSFET关断时，电感没有被有效钳位，则电感开始放电，迫使器件进入雪崩击穿状态，甚至造成损坏。对功率MOSFET 会遭遇雪崩击穿的具体应用场合举例说明：
（1）反激转换电路。如图1.7所示，MOSFET开启时能量存储在L1电感中，如果该电感没有被有效钳位，当MOSFET关断时，L1电感开始通过初始转换开关Q放电，有可能造成雪崩损坏。
（2）功率MOSFET用于汽车中的各种电气控制单元（ECU），用于控制电动机、电磁阀或基本上用于打开或关闭电负载。例如汽车的防抱死制动系统，它由一个低功率MOSFET开关组成，该开关连接制动泵和电池，并由连接到闸门的压力控制系统切换。每当MOSFET被打开，制动泵连接到电池上时，能量就储存在制动泵的感应器中。当MOSFET关闭时，制动泵中的能量通过MOSFET雪崩击穿来消散。在该领域的应用中，通过使用MOSFET雪崩能力来关闭感应负载的应用对器件雪崩可靠性的要求从承受能量高但数量有限的雪崩循环，转向以极低的雪崩能量经历数十亿次雪崩击穿。
（4）电控喷油器作为高压共轨燃油喷油系统中的关键部位，是喷油系统开发工作中重要一环。为了精确计量燃油，汽油或柴油喷射设计为在雪崩模式下运行，实现快速退磁和快速关闭阀门。图1.8为喷油器升压电路图。
雪崩耐量测试原理
UIS（Unclamped Inductive Switching）通常被认为是功率 MOS 管在电力电子应用中所遭受的最极端应力情况[24]，这是因为器件在开启导通状态下所有的能量存储在电感中，而当器件关断时，能量将直接转移到器件上面，因此在开关电路中，UIS 能够体现出功率器件在遭受严重损坏之前所能够承受的最大能量。目前国内外功率半导体器件通用的雪崩特性测试方法也选用非钳位感性开关测试（UIS test），主流的 UIS 测试有两种，其区别在于被测器件（Device under test，DUT）是否作为测试电感的充电控制开关。本节对这两种功率 MOSFET雪崩耐量测试电路的原理进行介绍。
图2.1所示的UIS测试电路一中，被测功率MOSFET直接作为测试电感L的充电控制开关，其中电感L是负载，DUT是被测半导体器件，二极管是VDMOS中的寄生二极管。图2.2为非破坏性的UIS测试过程对应的测试波形图，其中IAV是iD 电流峰值，VCC是直流电源电压，BVDSS是雪崩击穿电压，tAV是雪崩击穿时间。
t<0时刻，DUT处于关断状态，回路没有电流，电感上的电流iL为零，存储的能量为零，电流变化率diL/dt为零，DUT的漏源极间电压vDS等于直流电源电压。
t=0时刻，一个时间宽度为tp，电压大小为VG的驱动信号作用于VDMOS栅极，此时DUT开始导通。0-tp时间段内，VDMOS器件导通，直流电源通过DUT对电感充电。由于功率VDMOS的开启时间在几十到几百纳秒数量级，远远小于栅极收到的电压脉冲宽度，因此可以认为VDMOS器件在t=0时刻立即开启。采用理想开关模型对电路进行分析，当DUT导通时，漏源极间电压从VCC瞬时下降为零，电感L两端电压等于直流源电压。在0<t<tp时间内，流过电感及VDMOS漏源极间的电流随时间变化如公式（2-1）所示：
t=tp时刻，DUT的栅极脉冲信号下降为0，因此器件被关断。充电期间存储在感性负载上的能量向DUT转移，dids/dt产生极大的电压使得漏源极间的体二极管反向导通，漏源间电压被钳位至雪崩击穿电压BVDSS，该值大于其额定电压。
tp<t<tp+tAV时间内，DUT 被钳位的电压BVDSS 与电源电压反向叠加后给电感供电，电感中的电流线性下降，感性负载 L、电感两端电压和器件雪崩击穿的时间关系如下式所示：
由于感性负载上的能量在雪崩击穿期间未全部释放在器件上，所有单次UIS应力脉冲中器件雪崩能量通过雪崩击穿期间的平均功率和时间的乘积来计算：
将式（2-2）代入上式，可得单次UIS 测试中器件承受的雪崩能量为：
在UIS 测试中下，由于脉冲宽度、分布电感等因素，感性负载L 在测试过程中的实际电感值与预设电感值存在差异，因此通过电压和电流的乘积对时间进行积分获得的雪崩能量值更接近真实值，计算公式如下：
图2.3所示的UIS测试电路二中，Q1为驱动MOSFET，DUT为被测MOSFET，L为感性负载，D为续流二极管。图2.4为对应的测试波形图，其中IAV是iDS电流峰值，VCC是直流电源电压，BVDSS是雪崩击穿电压，tAV是雪崩击穿时间。
DUT在脉冲信号的控制下，开通或关断。当脉冲信号VGS1和VGS2为高电平时被测MOSFET和驱动MOSFET同时导通。直流电源电压VCC经过DUT、Q1对电感充电，电感电流线性上升。经过tp的导通时间后，电感电流达到最大值；随后脉冲信号VGS1和VGS2均下降为零，被测MOSFET和驱动MOSFET同时关断，电感负载上流过的电流无法突变，在关断的瞬间，电流通过续流二极管导通。该测试电路在栅极驱动电压断开的同时，通过高速开关将VCC断开，保证了VCC不参与能量的释放，可将VCC 设置为高于BVDSS的值。
作为一种新型的宽禁带（WBG）半导体材料，碳化硅（SiC）凭其出色的物理特性越来越收到工业界的关注。作为当今最流行的WBG功率器件，SiC MOSFET已被广泛地研究并应用于高频变流器。在电力电子应用中，由于电感负载和杂散电感的存在，漏电流突变产生的反电势可能会迫使功率MOSFET发生雪崩击穿，甚至损坏器件。分析SiC MOSFET的雪崩击穿特性对理解器件失效机理和更好的应用器件起着至关重要的作用。
非钳位感性开关（Unclamped Inductive Switching，UIS）状况通常被认为是功率MOS管在电力电子应用中所遭受的最极端应力情况，目前国内外功率半导体器件通用的雪崩特性测试方法也选用非钳位感性开关测试（UIS test）。浙江大学徐晓筱在硕士论文中基于UIS测试原理，设计了雪崩测试硬件电路和上位机监测平台，搭建了功率MOSFET 雪崩测试系统。对Cree公司的C2M0280120 和C3M0280090D SiC MOSFET进行不同实验条件下的非破坏性和破坏性UIS测试，并总结其雪崩特性。基于传统结温估算公式，对UIS测试中器件的平均结温和雪崩击穿状态期间的瞬态结温进行估算。
此外，建立了器件关断后UIS电路的等效模型，分析了在非破坏性的 UIS测试中漏源极间产生振荡波的原理，提出了一种新颖的输出电容测试方法，推导了输出电容的计算方法，并通过对器件的输出电容进行测试，证实了该方法和平台的可行性。
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SiC基功率MOSFET的制备技术日渐成熟，作为商业产品被应用于大功率的电力电子场合中，其应用领域分布如图1.6所示。同时，它也成为了电路系统中失效率最高的器件之一。研究表明，超八成的器件失效是由于使用失效，而其中约70%是由于电应力导致的退化失效。目前，SiC MOSFET已被广泛地研究应用于快速开关功率转换器，这意味着需要高的du/dt和di/dt。在负载为螺线管或电动机的情况下或者线束、电路板布局引起的某种杂散电感，导致器件快速开关过程中产生过压或振铃，由此产生的过电压可能会损坏器件，从而造成电力电子电路故障。其中，器件关断时产生的反电动势迫使MOSFET进入雪崩击穿状态，被认为是器件遭遇的最恶劣的电应力情况。在DC-DC Boost变换器、Flyback 变换器和汽车应用等的场合中，开关设备均会遭遇电压过大的状况。当高频开关功率电路中的高电流变化率（即di/dt）与寄生电感一起作用使感应电压增大，电压过压的情况将更加严重，这对将SiC MOSFET 引入主流电力电子应用提出了严峻的挑战。因此，分析SiC 功率MOSFET 的雪崩特性，揭示影响雪崩特性的关键因素，对其稳定性和可靠性进行评估，对于提高工业产品可靠性有重要的理论指导意义。
（1）反激转换电路。如图1.7所示，MOSFET开启时能量存储在L1电感中，如果该电感没有被有效钳位，当MOSFET关断时，L1电感开始通过初始转换开关Q放电，有可能造成雪崩损坏。
（4）电控喷油器作为高压共轨燃油喷油系统中的关键部位，是喷油系统开发工作中重要一环。为了精确计量燃油，汽油或柴油喷射设计为在雪崩模式下运行，实现快速退磁和快速关闭阀门。图1.8为喷油器升压电路图。
UIS（Unclamped Inductive Switching）通常被认为是功率 MOS 管在电力电子应用中所遭受的最极端应力情况[24]，这是因为器件在开启导通状态下所有的能量存储在电感中，而当器件关断时，能量将直接转移到器件上面，因此在开关电路中，UIS 能够体现出功率器件在遭受严重损坏之前所能够承受的最大能量。目前国内外功率半导体器件通用的雪崩特性测试方法也选用非钳位感性开关测试（UIS test），主流的 UIS 测试有两种，其区别在于被测器件（Device under test，DUT）是否作为测试电感的充电控制开关。本节对这两种功率 MOSFET雪崩耐量测试电路的原理进行介绍。
图2.1所示的UIS测试电路一中，被测功率MOSFET直接作为测试电感L的充电控制开关，其中电感L是负载，DUT是被测半导体器件，二极管是VDMOS中的寄生二极管。图2.2为非破坏性的UIS测试过程对应的测试波形图，其中IAV是iD 电流峰值，VCC是直流电源电压，BVDSS是雪崩击穿电压，tAV是雪崩击穿时间。
t=0时刻，一个时间宽度为tp，电压大小为VG的驱动信号作用于VDMOS栅极，此时DUT开始导通。0-tp时间段内，VDMOS器件导通，直流电源通过DUT对电感充电。由于功率VDMOS的开启时间在几十到几百纳秒数量级，远远小于栅极收到的电压脉冲宽度，因此可以认为VDMOS器件在t=0时刻立即开启。采用理想开关模型对电路进行分析，当DUT导通时，漏源极间电压从VCC瞬时下降为零，电感L两端电压等于直流源电压。在0<t<tp时间内，流过电感及VDMOS漏源极间的电流随时间变化如公式（2-1）所示：
t=tp时刻，DUT的栅极脉冲信号下降为0，因此器件被关断。充电期间存储在感性负载上的能量向DUT转移，dids/dt产生极大的电压使得漏源极间的体二极管反向导通，漏源间电压被钳位至雪崩击穿电压BVDSS，该值大于其额定电压。
tp<t<tp+tAV时间内，DUT 被钳位的电压BVDSS 与电源电压反向叠加后给电感供电，电感中的电流线性下降，感性负载 L、电感两端电压和器件雪崩击穿的时间关系如下式所示：
由于感性负载上的能量在雪崩击穿期间未全部释放在器件上，所有单次UIS应力脉冲中器件雪崩能量通过雪崩击穿期间的平均功率和时间的乘积来计算：
将式（2-2）代入上式，可得单次UIS 测试中器件承受的雪崩能量为：
在UIS 测试中下，由于脉冲宽度、分布电感等因素，感性负载L 在测试过程中的实际电感值与预设电感值存在差异，因此通过电压和电流的乘积对时间进行积分获得的雪崩能量值更接近真实值，计算公式如下：
图2.3所示的UIS测试电路二中，Q1为驱动MOSFET，DUT为被测MOSFET，L为感性负载，D为续流二极管。图2.4为对应的测试波形图，其中IAV是iDS电流峰值，VCC是直流电源电压，BVDSS是雪崩击穿电压，tAV是雪崩击穿时间。
DUT在脉冲信号的控制下，开通或关断。当脉冲信号VGS1和VGS2为高电平时被测MOSFET和驱动MOSFET同时导通。直流电源电压VCC经过DUT、Q1对电感充电，电感电流线性上升。经过tp的导通时间后，电感电流达到最大值；随后脉冲信号VGS1和VGS2均下降为零，被测MOSFET和驱动MOSFET同时关断，电感负载上流过的电流无法突变，在关断的瞬间，电流通过续流二极管导通。该测试电路在栅极驱动电压断开的同时，通过高速开关将VCC断开，保证了VCC不参与能量的释放，可将VCC 设置为高于BVDSS的值。
非钳位感性开关（Unclamped Inductive Switching，UIS）状况通常被认为是功率MOS管在电力电子应用中所遭受的最极端应力情况，目前国内外功率半导体器件通用的雪崩特性测试方法也选用非钳位感性开关测试（UIS test）。浙江大学徐晓筱在硕士论文中基于UIS测试原理，设计了雪崩测试硬件电路和上位机监测平台，搭建了功率MOSFET 雪崩测试系统。对Cree公司的C2M0280120 和C3M0280090D SiC MOSFET进行不同实验条件下的非破坏性和破坏性UIS测试，并总结其雪崩特性。基于传统结温估算公式，对UIS测试中器件的平均结温和雪崩击穿状态期间的瞬态结温进行估算。
此外，建立了器件关断后UIS电路的等效模型，分析了在非破坏性的 UIS测试中漏源极间产生振荡波的原理，提出了一种新颖的输出电容测试方法，推导了输出电容的计算方法，并通过对器件的输出电容进行测试，证实了该方法和平台的可行性。
