SiCMOSFET短路保護(hù)技術(shù)綜述文陽

2022年5月電工技術(shù)學(xué)報(bào)TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYMayNo20222!CnO2EEL短路保護(hù)技術(shù)綜述文陽1楊媛1寧紅英1張瑜2高勇1(1.西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院西安7100482.西安思源學(xué)院工學(xué)院西安710038)摘要隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，SiCMOSFET以優(yōu)異的材料特性在高頻、高壓、高溫電力電子應(yīng)用中展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢。然而，SiCMOSFET較高的開關(guān)速度與較弱的短路承受能力對短路保護(hù)技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。該文首先介紹SiCMOSFET不同短路類型以及短路測試方法；其次對SiCMOSFET短路失效模式及失效機(jī)理進(jìn)行分析；然后詳細(xì)梳理現(xiàn)有SiCMOSFET短路檢測與短路關(guān)斷技術(shù)的原理與優(yōu)缺點(diǎn)，討論現(xiàn)有SiCMOSFET短路保護(hù)技術(shù)在應(yīng)用中存在的問題與挑戰(zhàn)；最后對SiCMOSFET短路保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：SiCMOSFET短路測試短路失效短路保護(hù)WenYang1YangYuan1NingHongying1ZhangYu2GaoYong1(1.CollegeofAutomationandInformationEngineeringXi’anUniversityofTechnologyXi’an710048China2.CollegeofTechnologyXi’anSiyuanUniversityXi’an710038China)Vpz$L$c$Withthedevelopmentofpowerelectronicstechnology,SiCMOSFETsshowsignificantadvantagesinpowerelectronicsapplicationsofhighfrequency,highvoltageandhightemperatureduetoitsexcellentmaterialproperties.However,thehighswitchingspeedandpoorshort-circuitwithstandcapabilityofSiCMOSFETsbringnewchallengestoshort-circuitprotectiontechnology.Inthispaper,differentshort-circuitfaulttypesandtestingmethodsofSiCMOSFETsareintroducedfirstly.Secondly,theshort-circuitfailuremodeandmechanismofSiCMOSFETareanalyzed.Onthisbasis,theprinciple,advantagesanddisadvantagesoftheexistingshort-circuitdetectionandturn-offtechnologyofSiCMOSFETsaresummarizedindetail,andtheproblemsandchallengesintheapplicationofthecurrentshort-circuitprotectiontechnologyofSiCMOSFETsarediscussed.Finally,thedevelopmenttrendofSiCMOSFETshort-circuitprotectiontechnologyisprospected.YG入從oLqz：SiCMOSFET,short-circuittest,short-circuitfailure,short-circuitprotection0引言經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)硅(Silicon,Si)功率半導(dǎo)體器件性能已達(dá)到極限，難以滿足新能源裝國家自然基金項(xiàng)目(62174134)、陜西省教育廳專項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(21JK0791)和陜西省創(chuàng)新能力支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2021TD-25)資助。收稿日期2021-07-21改稿日期2021-08-11備高效、高功率密度等新的發(fā)展需求[1-4]。碳化硅 (SiliconCarbide,SiC)金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor,MOSFET)具有低開關(guān)損耗、高開關(guān)頻率、高耐壓值以及優(yōu)異的溫度特性，在大功率電力電子應(yīng)用中對散熱器的性能要求大大降低，使得整個(gè)電力電子裝置的轉(zhuǎn)換效率、功率密度及穩(wěn)定性大幅提升[5-6]。文2539文2539然而，短路故障是導(dǎo)致SiCMOSFET失效的重要原因之一，嚴(yán)重阻礙其應(yīng)用[4-6]。盡管SiCMOSFET具有較好的導(dǎo)熱性能，但與Si器件和SiC場效應(yīng)晶體管的短路性能相比，SiCMOSFET的短路保護(hù)在以下幾個(gè)方面更具挑戰(zhàn)性。首先，在相同額定電流容量下，SiCMOSFET芯片面積小、電流密度高，這就導(dǎo)致SiCMOSFET33ASiCMOSFET進(jìn)行硬短路測試，被測器件在約13μs后失效損壞，然而在短路發(fā)生約5μs時(shí)被測器件柵-源極泄漏電流突然增大，這表明柵-源極已經(jīng)退化[7-9]。研究發(fā)現(xiàn)，在短路工況下，SiCMOSFET通道遷移率的正溫度系數(shù)高達(dá)600K，這就導(dǎo)致SiCMOSFET的短路承受能力和魯棒性明顯低于SiC結(jié)型場效應(yīng)晶體管[10-11]。其次，在短路工況下，SiCMOSFET較弱的界面質(zhì)量會帶來柵極氧化層可靠性問題，對SiCMOSFET的穩(wěn)定工作產(chǎn)生負(fù)面影響[12-13]。隨著制造商工藝的改進(jìn)，該問題得到了有效緩解，但是短路發(fā)生時(shí)，器件結(jié)溫迅速升高到125℃以上，F(xiàn)owler-Nordheim溝道電流進(jìn)入電介質(zhì)導(dǎo)致柵極氧化層出現(xiàn)明顯退化[14-16]；由于SiCMOSFET需要更高的正向柵極偏壓，柵電場的增高會進(jìn)一步加劇短路時(shí)柵極氧化層退化問題[17-18]。此外，為了確保SiCMOSFET可靠運(yùn)行在安全工作區(qū)內(nèi)，其較弱的短路承受能力就要求短路保護(hù)電路具有更快的響應(yīng)速度。然而，與Si器件相比，SiCMOSFET的結(jié)電容更小、開關(guān)速度更高。SiCMOSFET獨(dú)特的正溫度系數(shù)跨導(dǎo)導(dǎo)致其開通時(shí)的dI/dt和dV/dt隨著結(jié)溫的升高均增大[19]。在較高的dI/dt和dV/dt條件下，SiCMOSFET短路保護(hù)電路的快速響應(yīng)與抗噪聲能力難以兼顧。上述研究表明，SiCMOSFET短路保護(hù)難度大，短路時(shí)SiCMOSFET芯片更易受損。為了解決這一問題，國內(nèi)外學(xué)者在SiCMOSFET短路保護(hù)方面做了很多工作，主要涵蓋SiCMOSFET短路測試方法、失效模式與失效機(jī)理、短路檢測方法以及關(guān)斷策略等。因此，本文旨在全面介紹SiCMOSFET短路保護(hù)技術(shù)，加深對短路故障的理解，為科研與技術(shù)人員在高頻、高效率電力電子場合更好地使用SiCMOSFET器件提供借鑒。1短路故障與測試方法1.1短路故障類型按短路回路電感值的大小和短路位置可將短路故障分為一類短路和二類短路，短路的類型與特征表1短路的類型與特征Tab.1Typeandcharacteristicsofshort-circuit類型位置原因特征一類短路橋臂直通硬件失效、軟件故障回路電感量較小(nH級)二類短路相間短路相間短路、對地短路回路電感量較大由于短路回路電感較小，一類短路故障電流上升快，對功率器件危害大，保護(hù)難度較高。按照短路發(fā)生時(shí)刻，一類短路又可以分為硬開關(guān)故障(HardSwitchingFault,HSF)與負(fù)載故障(FaultUnderLoad,FUL)兩類。圖1所示為SiCMOSFET短路故障典型波形?？梢钥闯?，HSF發(fā)生時(shí)刻在SiCMOSFET開通瞬間，如圖1a所示。當(dāng)HSF發(fā)生時(shí)，漏極電流ID快速上升到最大值，然后回落至穩(wěn)定的短路電流值。由于回路電感極小，漏-源極電壓VDS小幅下降后又穩(wěn)定在母線電壓；FUL發(fā)生在SiCMOSFET完全導(dǎo)通之后，如圖1b所示。當(dāng)FUL發(fā)生時(shí)，短路電流從負(fù)載電流迅速上升，SiCMOSFET兩端電壓也隨之上升至母線電壓。不論是HSF還是FUL發(fā)生時(shí)，SiCMOSFET都承受著巨大的短路能量。由于SiCMOSFET芯片面積較小、電流密度較大，巨大的能量可能會在短時(shí)間內(nèi)燒毀SiCMOSFET[20]。(a)HSF(b)FUL圖1功率器件短路故障典型波形Fig.1Typicalshort-circuitwaveformsofpowersemiconductor1.2短路測試方法短路測試是研究功率器件短路特性、測試短路保護(hù)電路性能的重要方法。目前常見的SiCMOSFET(1)基于雙脈沖測試的短路測試方法。該方法使用“粗短銅排”代替雙脈沖測試電路中的負(fù)載電感來模擬短路，如圖2a所示。當(dāng)脈沖發(fā)生器向驅(qū)動器1發(fā)送高電平信號時(shí)，打開上橋臂SiCMOSFET，2022年5月2540電工技2022年5月2540表2SiCMOSFET短路測試方法對比Tab.2ComparisonofSiCMOSFETshort-circuittests類型優(yōu)缺點(diǎn)適用場合基于雙脈沖測試的短路測試方法基于非線性元件的無損短路測試方法優(yōu)點(diǎn)：模擬真實(shí)短路工況缺點(diǎn)：易對被測器件造成損壞優(yōu)點(diǎn)：有效保護(hù)被測器件缺點(diǎn)：不能真實(shí)反映短路工況適用于短路保護(hù)電路性能測試適用于器件短路性能測試(a)基于雙脈沖測試的短路測試方法(b)基于非線性元件的無損短路測試方法圖2不同的SiCMOSFET短路測試方法Fig.2Differentshort-circuittestmethodsforSiCMOSFET再向驅(qū)動器2發(fā)送高電平信號，就可以實(shí)現(xiàn)HSF；當(dāng)脈沖發(fā)生器向驅(qū)動器2發(fā)送一個(gè)信號使待測SiCMOSFET正常開啟時(shí)，再向短路控制開關(guān)S1發(fā)送閉合信號使故障電感LFault接入功率回路，就可以實(shí)現(xiàn)FUL。(2)基于非線性元件的無損短路測試方法。不同的SiCMOSFET短路測試方法如圖2所示。該方法是在被測SiCMOSFET的短路回路中串入非線性元件[21-22]，如圖2b所示。非線性元件在額定電流時(shí)內(nèi)阻較低，與SiCMOSFET相比飽和電流更小。當(dāng)脈沖發(fā)生器通過驅(qū)動器1開啟該非線性元件時(shí)，再通過驅(qū)動器2開啟待測器件就可以模擬HSF。當(dāng)短路電流達(dá)到該元件的飽和電流時(shí)，短路電流就會被基于雙脈沖測試的短路測試方法可以真實(shí)地模制邏輯復(fù)雜性大幅增加，額外的寄生電感也使得對寄生電感更為敏感的SiCMOSFET短路測試風(fēng)險(xiǎn)增加。此外，由于短路回路阻抗小，短路電流上升速率快，很容易對SiCMOSFET造成損壞，所以該方法主要用于SiCMOSFET短路保護(hù)電路性能測試。基于非線性元件的無損短路測試方法可以很好地保護(hù)被測SiCMOSFET，避免嚴(yán)重?fù)p壞。為觀測SiCMOSFET短路現(xiàn)象、研究失效機(jī)理以及芯片工藝改進(jìn)保留有效的實(shí)驗(yàn)樣本，但是非線性元件的引入使該測試不能真實(shí)地模擬短路故障。此外，非線性元件的選型以及成本也不容忽視。2SiCMOSFET短路失效模式與機(jī)理目前，SiCMOSFET的短路失效模式主要有柵-源極失效和熱逃逸失效[23-33]，兩者的失效條件、原因及特征詳見表3。表3SiCMOSFET短路失效模式對比Tab.3ComparisonofSiCMOSFETshort-circuitfailuremode失效類型失效條件失效原因失效特征柵-源極失效較低短路量高溫熔化的源極鋁金屬散入柵極氧化層出現(xiàn)的裂紋中致使柵-源短路柵-源極阻抗下降熱逃逸失效較高短路量短路高溫和泄漏電流激活了內(nèi)部寄生BJT致使漏-源極電流失控器件短路性能測試2.1柵-源極失效圖3為SiCMOSFET(DF23MR12W1M1)在母線電壓Vdc=400V、柵-源極電壓Vgs=20V時(shí)的短路測試波形。在短路持續(xù)16μs后關(guān)斷SiCMOSFET，關(guān)斷后的SiCMOSFET出現(xiàn)了柵-源極失效現(xiàn)象。在柵-源極失效前，隨著短路時(shí)間增加，柵-源極電壓明顯下降，短路電流出現(xiàn)拖尾。在柵-源極失效后，柵-源極短路但漏-源極完好，觀察SiCMOSFET芯片表面上沒有明顯可見損傷，但是在電子顯微鏡下，可以觀察到柵極多晶硅和源極鋁之間的柵極層間電介質(zhì)中出現(xiàn)了裂紋。利用能量色散譜儀對裂紋處元素進(jìn)行分析，可以觀測到裂紋上方的源區(qū)大量鋁遷移到了裂紋中[23]，SiCMOSFET柵-源極失效后的芯。第37卷第10期文陽等SiCMOSFET短路保護(hù)技術(shù)綜述2541圖3SiCMOSFET短路波形(Vdc=400V、Vgs=20V)Fig.3Short-circuittestwaveformsofSiCMOSFET(Vdc=400V,Vgs=20V)(a)芯片表面(b)芯片橫截面圖4SiCMOSFET柵-源極失效后的芯片F(xiàn)ig.4PhotosoftheSiCMOSFET’chipaftergatefailure研究表明，較大的短路電流導(dǎo)致器件結(jié)溫迅速升高，而SiCMOSFET柵極氧化層較薄且內(nèi)部材料的熱膨脹系數(shù)不一致導(dǎo)致柵極氧化層在高溫時(shí)出現(xiàn)裂紋[24-26]。當(dāng)器件結(jié)溫超過源極金屬鋁的熔點(diǎn)時(shí)，被高溫熔化的源極鋁金屬將散入裂紋中導(dǎo)致SiCMOSFET柵極與源極短路，使其呈現(xiàn)低阻特性[27-28]。因此，SiCMOSFET柵-源極失效是高溫和熱應(yīng)力的共同作用結(jié)果。由于SiMOSFET熱逃逸溫度閾值較低，柵-源極失效現(xiàn)象只會出現(xiàn)在高溫半導(dǎo)體器件iCGaN2.2熱逃逸失效熱逃逸又稱熱失控，是器件內(nèi)部溫度升高到一定程度后引起器件劣化使溫度進(jìn)一步升高，最終導(dǎo)致某一種破壞性的結(jié)果[29]。圖5為SiCMOSFET (DF23MR12W1M1)在母線電壓800V、柵-源極電壓20V時(shí)的短路測試波形?？梢钥吹剑诙搪烦霈F(xiàn)不到5μs時(shí)發(fā)生了熱逃逸失效，短路電流失去控制持續(xù)上升，直至SiCMOSFET燒毀。熱逃逸發(fā)生前，圖5SiCMOSFET短路測試波形(Vdc=800V、Vgs=20V)Fig.5Short-circuittestwaveformsofSiCMOSFET(Vdc=800V,Vgs=20V)SiCMOSFET柵-源極電壓出現(xiàn)了下降，說明柵-源極阻抗已經(jīng)下降。SiCMOSFET熱逃逸失效與短路關(guān)斷過程中產(chǎn)生的漏極泄漏電流有很大關(guān)系。當(dāng)短路時(shí)間達(dá)到一定程度時(shí)，SiCMOSFET就會出現(xiàn)漏極泄漏電流，且隨著短路時(shí)間的增加，泄漏電流愈加明顯[30-31]。當(dāng)短路時(shí)間小于SiCMOSFET短路耐受時(shí)間時(shí)，即使在關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)泄漏電流，泄露電流也會逐漸降低，SiCMOSFET不會發(fā)生熱逃逸，但當(dāng)短路時(shí)間大于等于短路耐受時(shí)間時(shí)，就會觸發(fā)熱逃逸。研究表明，SiCMOSFET熱逃逸的原因是短路高溫和泄漏電流激活了內(nèi)部寄生雙極結(jié)型晶體管致使漏-源極電流失控[32-34]。通過介紹兩種失效模式的現(xiàn)象和成因不難看出，短路能量較低時(shí)可能會導(dǎo)致SiCMOSFET柵-發(fā)生熱逃逸失效。SiCMOSFET柵-源極失效時(shí)不一定會發(fā)生熱逃逸失效，但是熱逃逸失效發(fā)生時(shí)必定伴隨有柵-源極失效。3SiCMOSFET短路保護(hù)技術(shù)SiCMOSFET較弱的短路承受能力需要短路保護(hù)電路快速動作，但是較高的開關(guān)速度、開關(guān)振蕩以及關(guān)斷過電壓都給SiCMOSFET短路保護(hù)帶來了巨大挑戰(zhàn)[35]。為了確保SiCMOSFET安全可靠工作，快速可靠的短路檢測與短路關(guān)斷技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。3.1短路檢測技術(shù)目前，針對SiCMOSFET的短路檢測技術(shù)主要有退飽和檢測、寄生電感電壓檢測、電流傳感器法、分流器檢測、鏡像電流檢測和柵極電荷檢測六種，SiCMOSFET短路檢測方法見表4。下面將對上述方法的工作原理、優(yōu)勢及存在的問題進(jìn)行詳細(xì)介紹。1)退飽和檢測退飽和檢測原理簡單、成本低，廣泛應(yīng)用于絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT短路保護(hù)中，但在SiCMOSFET的短路保護(hù)中采用該方法存在巨大挑戰(zhàn)[7,36-41]，二極管式退飽和檢測如圖6所示。圖6a為二極管式退飽和檢測電路。在SiCMOSFET導(dǎo)通時(shí)，當(dāng)A點(diǎn)電壓VA上升超過閾值Vth1時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)發(fā)出故障信號關(guān)斷器件。在SiC至低電平，檢測電路被屏蔽。該檢測電路工作原理2022年5月2542電工技2022年5月2542表4SiCMOSFET短路檢測方法Tab.4Short-circuitdetectionmethodofSiCMOSFET短路檢測方法優(yōu)勢劣勢退飽和檢測二極管式[35-41]簡單、成本低存在盲區(qū)、易誤觸發(fā)寄生電感電壓檢測di/dt檢測[41]電流評估法[45]兩級RC型電流評估法[46]RCD型電流評估法[47]無盲區(qū)無盲區(qū)、可靠無盲區(qū)、可靠無盲區(qū)、可靠HSF易誤觸發(fā)FUL電流峰值較高成本高FUL電流峰值較高電流傳感器霍爾器件[7]方便、無盲區(qū)精度低PCB型羅氏線圈[48-50]精度高電路復(fù)雜分流器檢測同軸分流器[7,36]非線性元件[23]精度高可變保護(hù)閾值損耗大、成本高成本高、安裝不便柵極電荷檢測[36,43,53]HSF響應(yīng)快電路復(fù)雜、FUL不適用(a)電路(b)檢測原理圖6二極管式退飽和檢測Fig.6Desaturationtechniquewithsensingdiodes如圖6b所示，PWM為高時(shí)，SiCMOSFET開始導(dǎo)較高，二極管(VDS1,…)反向截止，VCC通過Rblk對Cblk充電，A點(diǎn)電壓升高。在SiCMOSFET完全導(dǎo)通之前，需要預(yù)留足夠的盲區(qū)時(shí)間Tbl防止檢測電路誤觸發(fā)。當(dāng)SiCMOSFET發(fā)生短路退出“飽和”狀態(tài)時(shí)，VA將上升超過閾值Vth1導(dǎo)致比較器翻轉(zhuǎn)。在SiCMOSFET完全開通后，A點(diǎn)電壓VA的大小可以表示為1)VA=VDS(on)+1)式中，VD為二極管正向?qū)▔航??？梢钥闯?，A點(diǎn)電位由SiCMOSFET導(dǎo)通壓降以及二極管的壓降決定。然而，在中大功率SiCMOSFET應(yīng)用中，SiCMOSFET導(dǎo)通壓降較高，然而較高的母線電壓就需要多個(gè)二極管串聯(lián)來提高反向擊穿耐壓，這就導(dǎo)致A點(diǎn)電位升高很可能觸及閾開通瞬間漏-源極電壓振蕩也增加了檢測電路誤觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。此外，業(yè)內(nèi)公認(rèn)IGBT具有約10μs的短路承受時(shí)間，但對于SiCMOSFET的短路承受時(shí)間，各大功率半導(dǎo)體器件廠商都沒有形成共識。英飛凌對外宣稱其CoolSiCMOSFET具有3μs的短路承受時(shí)間[36]，基本半導(dǎo)體的SiCMOSFET短路承受時(shí)間則為6μs[37]，CREE和Rohm公司的SiCMOSFET短路承受時(shí)間約為2μs[7,38]。然而，商用SiCMOSFET驅(qū)動器檢測盲區(qū)幾乎都在μs級別，例如，CREE公司的PT62SCMD17檢測盲區(qū)時(shí)間為1μs[32]，雖然該數(shù)值在器件廠商所提供的短路承受時(shí)間之內(nèi)，但相比于SiCMOSFET的短路承受時(shí)間，μs級別的檢測盲區(qū)使得退飽和檢測的響應(yīng)速度顯的杯水車薪。研究表明，SiCMOSFET即使承受1μs以內(nèi)的短路應(yīng)力，其電學(xué)特性也會發(fā)生退化[39-40]，承受的短路時(shí)間越長、短路次數(shù)越多，SiCMOSFET的電參數(shù)退化現(xiàn)象越明顯[41-42]。因此，當(dāng)SiCMOSFET發(fā)生短路時(shí)，應(yīng)該在第一時(shí)間進(jìn)行短路保護(hù)動作，檢測盲區(qū)的存在不僅會造成SiCMOSFET短路時(shí)的電參數(shù)退化進(jìn)而影響開關(guān)性能，還會大大增加SiCMOSFET短路失效的風(fēng)險(xiǎn)。2)寄生電感電壓檢測SiCMOSFET模塊功率源極和輔助源極之間存在寄生電感，電流的變化會在寄生電感上感應(yīng)出一個(gè)電壓值[43-44]。由于短路時(shí)SiCMOSFET電流變化第37卷第10期文陽等SiCMOSFET短路保護(hù)技術(shù)綜述2543率dID/dt較大，因此可以通過檢測感應(yīng)電壓值來檢測短路故障，最典型的方法就是dI/dt檢測，如圖7a所示。圖7b為dI/dt檢測技術(shù)的工作原理，在正常開通過程中，快速上升的電流在LSS上感應(yīng)出一個(gè)負(fù)向電壓VSS，該電壓值與電流變化率成正比。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，ID迅速上升，負(fù)向VSS觸發(fā)保護(hù)閾值Vth3，短路器件被關(guān)斷。dI/dt檢測時(shí)間短、易于集成在驅(qū)動芯片中，但對寄生電感引起的噪聲特別敏感。此外，由于SiCMOSFET開通時(shí)較高的dID/dt會感應(yīng)出較大的負(fù)向VSS，也可能觸發(fā)閾值Vth3導(dǎo)致保護(hù)電路誤觸發(fā)。(a)電路原理(b)檢測原理圖7dI/dt檢測技術(shù)Fig.7dI/dttesttechnique鑒于此，華中科技大學(xué)WangZhiqiang等提出了基于電流評估的短路檢測電路，將寄生電感上感應(yīng)的電壓利用RC積分電路得到對應(yīng)電流值來實(shí)現(xiàn)短路檢測[45]，電流評估短路保護(hù)如圖8所示，SiCMOSFET漏極電流ID與輸出電壓VO的關(guān)系為ID(s)=VO(s)RfCf+≈VO(s)RfCf(2)SSSSLSSSS可以看出，輸出電壓VO隨著ID的增大而增加，當(dāng)VO達(dá)到閾值Vth時(shí)觸發(fā)比較器。將SiCMOSFET寄生電感上的感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成電流進(jìn)行短路保護(hù)，可以有效地避免開通電流上升斜率過大引起的誤觸SFETVOIDRC積分器可以正?！坝涗洝彪娏魃仙５玹2時(shí)刻后，ID增大上升至負(fù)載電流水平，dID/dt趨近于零，CfLSSRf，?VO逐漸減小。到t3時(shí)刻，VO趨近于零。當(dāng)t4時(shí)刻出現(xiàn)短路故障時(shí)，短路電流將在負(fù)載電流的基礎(chǔ)上快速上升，但?VO卻是從零上升，由于HSF和FUL使用的是同一閾值，因此FUL電流峰值將遠(yuǎn)大于HSF。(a)電路原理(b)典型波形圖8電流評估短路保護(hù)Fig.8Currentevaluationshort-circuitprotection為此，美國弗吉尼亞理工大學(xué)WangJun團(tuán)隊(duì)提RC保護(hù)電路對HSF和FUL進(jìn)行單獨(dú)檢測[46]，改進(jìn)的電流評估短路保護(hù)電路如圖9所示。通過加入電感Lo來減緩FUL時(shí)Co放電現(xiàn)象。電感Lo越大、Co放電越慢，但當(dāng)FUL發(fā)生時(shí)刻大于一定值時(shí)，Co電位下降至零。此外，較大的電感值也會減緩Co充電過程，導(dǎo)致FUL保護(hù)響應(yīng)時(shí)間變慢。為此，河北工業(yè)大學(xué)XinZhen等則進(jìn)一步對上述方案進(jìn)行了改進(jìn)，如圖9b所示[47]。利用二極管VDblo的單向?qū)щ娦詠矸乐闺娙軨s放電，很好地(a)兩級RC型2022年5月2544電工技2022年5月2544(b)RCD型圖9改進(jìn)的電流評估短路保護(hù)電路Fig.9Improvedcurrentevaluationshort-circuitprotectioncircuit解決了FUL發(fā)生時(shí)刻的不確定性所導(dǎo)致的Cs放電現(xiàn)象，但是電阻Rblo過大會同樣導(dǎo)致HSF和FUL保護(hù)響應(yīng)時(shí)間變慢。3)電流傳感器電流傳感器廣泛應(yīng)用在電力設(shè)備電流測量中，如霍爾器件、羅氏線圈等，其原理簡單且可靠性高，功率回路和測量回路具備電氣隔離，但帶寬較低、短路保護(hù)應(yīng)用。為此，WangJun等設(shè)計(jì)了一種適用于SiCMOSFETPCB]，z可以對SiCMOSFET模塊漏極電流進(jìn)行準(zhǔn)確的采集，為SiCMOSFET模塊短路保護(hù)提供可靠保障。然而，為了提高測量寬帶獲得更加精確的漏極電流，在PCB型羅氏線圈設(shè)計(jì)中需要增加線圈匝數(shù)。但是由于SiCMOSFET應(yīng)用在高頻開關(guān)工況，增加PCB線圈匝數(shù)會嚴(yán)重影響其抗擾動性能，可能導(dǎo)致短路保護(hù)電路誤觸發(fā)。此外，PCB型羅氏線圈的信號還原電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，嚴(yán)重阻礙了該方法的應(yīng)用。(a)原理(b)安裝圖10適用于SiCMOSFET模塊的PCB型羅氏線圈Fig.10ARogowskicoilforSiCMOSFETmodulebasedonPCB4)分流器檢測分流器檢測通常在功率回路串入電阻、同軸分MOSFET的短路保護(hù)中通常采用精度更高、響應(yīng)速度更快且可靠性較高的同軸分流器。但是隨著功率回路電流的增加，同軸分流器所帶來的功耗以及高昂的成本不容忽視。為了解決該缺陷，北卡羅來納州立大學(xué)B.J.Baliga教授團(tuán)隊(duì)將SiMOSFET串入SiCMOSFET回路作為“分流器”[21]，基于SiMOSFET非線性特性的短路保護(hù)電路如圖11所示，利用SiMOSFET漏極電壓和漏極電流成正比的特性，將漏極電壓作為SiCMOSFET短路檢測的依據(jù)。此外，通過給SiMOSFET柵-源極施加不同的偏置電壓，可以靈活調(diào)整其飽和電流來限制短路電流，防止SiCMOSFET短路損壞，但是SiMOSFET選型十分關(guān)鍵，在大電流應(yīng)用場合，較高的損耗與成本使得該方法應(yīng)用受到限制。圖11基于SiMOSFET非線性特性的短路保護(hù)電路Fig.11Short-circuitprotectioncircuitbasedonSiMOSFET’snonlinearcharacteristic5)柵極電壓檢測HSF發(fā)生時(shí)，SiCMOSFET的柵極電荷值QG遠(yuǎn)小于正常開通過程中柵極電荷值，導(dǎo)致HSF發(fā)生時(shí)柵極電壓VGS大于正常開通過程[50]，柵極電開通過程中柵極電壓可以間接檢測HSF[43,51]。該方法優(yōu)點(diǎn)是無檢測盲區(qū)。然而，SiCMOSFET的密勒電容較小，HSF發(fā)生時(shí)柵極電壓特征差異不明顯，采用該方法容易造成保護(hù)電路誤觸發(fā)。其次，F(xiàn)UL時(shí)SiCMOSFET柵極電壓已經(jīng)為最大正向電壓，因圖12柵極電壓檢測原理Fig.12Principleofgatevoltagedetection文2545文2545此該方法不能對FUL進(jìn)行檢測。3.2短路關(guān)斷策略當(dāng)檢測電路檢測到短路故障后應(yīng)快速關(guān)斷SiCMOSFET。然而，快速的關(guān)斷勢必會引起較高的關(guān)斷過電壓，導(dǎo)致SiCMOSFET因過電壓而損壞。防止關(guān)斷過電壓的常用方法就是采用軟關(guān)斷技術(shù)[52-61]，常見短路軟關(guān)斷技術(shù)有兩種：(1)大電阻關(guān)斷。大電阻關(guān)斷是在檢測到短路后，利用大阻值柵電阻來減緩關(guān)斷電流下降速率從而實(shí)現(xiàn)關(guān)斷過電壓的抑制[53-57]。然而，大電阻關(guān)斷在抑制關(guān)斷過電壓的同時(shí)也致使關(guān)斷延遲時(shí)間增大，導(dǎo)致SiCMOSFET不能及時(shí)關(guān)斷。為此，文獻(xiàn)[58-59]提出基于多級柵電阻的軟關(guān)斷策略，在關(guān)斷過程中采用不同柵極電阻關(guān)斷SiCMOSFET短路電流，從而兼顧了SiCMOSFET短路關(guān)斷過電壓與關(guān)斷延遲時(shí)間，但大電阻關(guān)斷可能導(dǎo)致SiCMOSFET因關(guān)斷損耗過大而發(fā)生失效。(2)降柵壓關(guān)斷。降柵壓關(guān)斷是在檢測到短路后，先緩慢降低柵極電壓，使SiCMOSFET維持導(dǎo)通狀態(tài)。在較低柵極電壓下，SiCMOSFET漏極電流會被限制在較低水平，經(jīng)過一定延遲后，再采用負(fù)壓關(guān)斷短路電流[60-61]。該方法通過緩降柵壓抑制短路電流，從而降低短路關(guān)斷過電壓，但是該方法需要多種柵極電壓，電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。4結(jié)論通過上述分析可知，SiCMOSFET高速開關(guān)特性以及現(xiàn)有工藝技術(shù)導(dǎo)致其短路承受能力較弱，而現(xiàn)有短路保護(hù)技術(shù)普遍存在響應(yīng)速度慢、易誤觸發(fā)、電路復(fù)雜以及成本高等缺點(diǎn)，這些問題嚴(yán)重威脅SiCMOSFET的安全運(yùn)行，阻礙SiCMOSFET的廣泛應(yīng)用。因此，未來的挑戰(zhàn)與研究課題主要涉及以下幾個(gè)方面：1)SiCMOSFET短路承受能力提升。柵極可靠性問題嚴(yán)重制約著SiCMOSFET為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件短路承受能力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的器件結(jié)構(gòu)、新的制造工藝和新興材料的研發(fā)將是提升其柵極可靠性、改善短路承受能力的關(guān)鍵所在。2)SiCMOSFET的短路檢測技術(shù)。相比于IGBT，SiCMOSFET開關(guān)速度更快，短路承受能力較弱，電磁干擾更嚴(yán)重。因此，現(xiàn)有短路檢測方法已不能滿足SiCMOSFET應(yīng)用中短路檢測的技術(shù)需求，研發(fā)適用于SiCMOSFET的快速、可靠短路檢測技術(shù)將是未來研究方向之一。3)SiCMOSFET短路關(guān)斷策略。SiCMOSFET短路承受能力弱，短路時(shí)需要快速關(guān)斷短路電流，而較快的電流變化很可能導(dǎo)致SiCMOSFET因過電壓擊穿而損壞。傳統(tǒng)短路軟關(guān)斷策略不能權(quán)衡關(guān)斷在軟關(guān)斷過程中發(fā)生熱逃逸或柵極失效。因此，權(quán)衡關(guān)斷損耗和過電壓的SiCMOSFET短路關(guān)斷策略也將是未來研究課題之一。參考文獻(xiàn)[1]盛況,郭清,張軍明,等.碳化硅電力電子器件在電力系統(tǒng)的應(yīng)用展望[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(30):1-7.ShengKuang,GuoQing,ZhangJunming,etal.DevelopmentandprospectofSiCpowerdevicesinpowergrid[J].ProceedingsoftheCSEE,2012,32(30):1-7.[2]吳海富,張建忠,趙進(jìn),等.SiCMOSFET短路檢測與保護(hù)研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2019,34(21):4519-4528.WuHaifu,ZhangJianzhong,ZhaoJin,etal.Reviewofshort-circuitdetectionandprotectionofSiliconcarbideMOSFETs[J].TransactionsofChinaElec-trotechnicalSociety,2019,34(21):4519-4528.[3]YangYuan,WenYang,GaoYong.Anovelactivegatedriverforimprovingswitchingperformanceofhigh-powerSiCMOSFETmodules[J].IEEETransa-ctionsonPowerElectronics,2019,34(8):7775-7787.[4]周林,李寒江,解寶,等.SiCMOSFET的saber建模及其在光伏并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用和分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2019,34(20):4251-4263.ZhouLin,LiHanjiang,XieBao,etal.SabermodelingofSiCMOSFETanditsapplicationandanalysisinphotovoltaicgrid-connectedinverter[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2019,34(20):4251-4263.[5]邵偉華,冉立,曾正,等.SiCMOSFET短路特性評估及其溫度依賴性模型[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2018,38(7):2121-2131.ShaoWeihua,RanLi,ZengZheng,etal.Short-circuitevaluationandtemperature-dependentmodelofSiCMOSFET[J].ProceedingsoftheCSEE,2018,38(7):2121-2131.[6]WenYang,YangYuan,GaoYong.Activegatedriverforimprovingcurrentsharingperformanceofparal-2022年5月2546電工技2022年5月2546leledhigh-powerSiCMOSFETmodules[J].IEEETransa-behaviorofzirconiumdiboride-Siliconcarbidecom-ctionsonPowerElectronics,2021,36(2):1491-1505.posite[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,[7]曾正.SiC功率器件的封裝測試與系統(tǒng)集成[M].北2012,32(12):3453-3462.京:科學(xué)出版社,2020.[17]NgutenT,AhmedA,ThangTV,etal.Gateoxide[8]AnJ,NamaiM,YanoH,etal.InvestigationofreliabilityissuesofSiCMOSFETsundershort-circuitrobustnesscapabilityof?730Vp-channelverticalSiCoperation[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,powerMOSFETforcomplementaryinverterappli-2015,30(5):2445-2455.cations[J].IEEETransactionsonElectronDevices,[18]RomangG,FayyazA,RiccioM,etal.Acom-2017,64(10):4219-4225.prehensivestudyofshort-circuitruggednessof[9]FursinL,LiXin,LiZhi,etal.ReliabilityaspectsofSiliconcarbidepowerMOSFETs[J].IEEEJournalof1200Vand3300VSiliconcarbideMOSFETs[C]//Emerging&SelectedTopicsinPowerElectronics,2017IEEE5thWorkshoponWideBandgapPower2016,4(3):978-987.DevicesandApplications(WiPDA),Albuquerque,[19]ChbiliZ,MatsudaA,ChbiliJ,etal.Modelingearly2017:373-377.breakdownfailuresofgateoxideinSiCPower[10]WangZhiqiang,ShiXiaojie,LeonM,etal.MOSFETs[J].IEEETransactionsonElectronDevices,Temperature-dependentshort-circuitcapabilityof2016,63(9):3605-3613.SiliconcarbidepowerMOSFETs[J].IEEETransa-[20]BoigeF,TremouillesD,RichardeauF.PhysicalctionsonPowerElectronics,2016,31(2):1555-1566.originofthegatecurrentsurgeduringshort-circuit[11]HuangXing,WangGangyao,LiYingshuang,etal.operationofSiCMOSFET[J].IEEEElectronDeviceShort-circuitcapabilityof1200VSiCMOSFETandLetters,2019,40(5):666-669.JFETforfaultprotection[C]//2013Twenty-Eighth[21]KnanleA,BaligaBJ.ComparisonofcurrentAnnualIEEEAppliedPowerElectronicsConferencesuppressionmethodstoenhanceshort-circuitcapa-andExposition(APEC),LongBeach,2013:197-200.bilityof1.2kVSiCpowerMOSFETs:anewapproach[12]WangHuai,BlaabjergF.Powerelectronicsreliability:usingaseries-connected,gate-source-shortedsistateoftheartandoutlook[J].IEEEJournalofdepletion-modeMOSFETvsuseofaseriesEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics,resistance[C]//2019IEEE7thWorkshoponWide2021,9(6):6476-6493.BandgapPowerDevicesandApplications(WiPDA),[13]YuLiangchun,DunneGT,MatochaKS,etal.Raleigh,2019:53-58.ReliabilityissuesofSiCMOSFETs:atechnologyfor[22]KanalaA,BaligaBJ.Anewuser-configurablehigh-temperatureenvironments[J].IEEETransactionsmethodtoimproveshort-circuitruggednessof1.2kVonDevice&MaterialsReliability,2010,10(4):SiCpowerMOSFETs[J].IEEETransactionson418-426.PowerElectronics,2021,36(2):2059-2067.[14]DasguptaS,KaplarRJ,MarinellaMJ,etal.Analysis[23]YaoK,YanoH,TadanoH,etal.Investigationsofandpredictionofstabilityincommercial,1200V,33A,SiCMOSFETshort-circuitfailuremechanismsusing4H-SiCMOSFETs[C]//2012IEEEInternationalelectrical,thermal,andmechanicalstressanalyses[J].ReliabilityPhysicsSymposium(IRPS),Anaheim,IEEETransactionsonElectronDevices,2020,67(17):2012:331-335.[15]KaplarRJ,MarinellaMJ,DasguptaS,etal.CharacterizationandreliabilityofSiC-andGaN-basedpowertransistorsforrenewableenergyapplications[C]//2012IEEEEnergytech,Cleveland,2012:1-6.[16]BridMW,AuneRP,ThomasAF,etal.Temperature-dependentmechanicalandlongcrack4328-4334.[24]LiuJingcun,ZhangGuoqang,WangBixuan,etal.GatefailurephysicsofSiCMOSFETsundershort-circuitstress[J].IEEEElectronDeviceLetters,2020,41(1):103-106.[25]WeiJiaxing,LiuSiyang,YangLanlan,etal.Com-prehensiveanalysisofelectricalparametersdegra-dationsforSiCpowerMOSFETsunderrepetitive文2547文2547short-circuitstress[J].IEEETransactionsonElectronDevices,2018,34(3):2771-2780.[26]WangJun,JiangXi,LiZongjian,etal.Short-circuitruggednessandfailuremechanismsofSi/SiChybridswitch[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2019,34(3):2771-2780.[27]SadikDP,ColmenaresJ,TolstoyG,etal.Short-circuitprotectioncircuitsforSilicon-carbidepowertransistors[J].IEEETransactionsonIndustrialElec-tronics,2016,63(4):1995-2004.[28]DuH,ReigosaPD,CeccarelliL,etal.Impactofrepetitiveshort-circuittestsonthenormaloperationofSiCMOSFETsconsideringcasetemperatureinfluence[J].IEEEJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics,2020,8(1):195-205.[29]RomanoG,FayyazA,RiccioM,etal.Acom-prehensivestudyofshort-circuitruggednessofSiliconcarbidepowerMOSFETs[J].IEEEJournalofEmerging&SelectedTopicsinPowerElectronics,2016,4(3):978-987.[30]ZhouYuming,LiuHangzhi,MuShilu,etal.Short-circuitfailuremodelofSiCMOSFETincludingtheinterfacetrappedcharges[J].IEEEJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics,2020,8(1):90-98.[31]EniEP,SzymonB,MunkNS,etal.Short-circuitdegradationof10kV10ASiCMOSFET[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2017,32(12):9342-9354.[32]JiS,LaitinenM,HuangX,etal.Short-circuitcharacterizationandprotectionof10kVSiCMOSFET[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2019,34(2):[33]魏昌俊.SiCMOSFET短路特性研究[D].北京:華北電力大學(xué),2019.[34]WangJun,JiangXi.ReviewandanalysisofSiCMOSFETs'ruggednessandreliability[J].IETPowerElectronics,2020,13(3):445-455.[35]楊媛,文陽,李國玉.大功率IGBT模塊及驅(qū)動電路綜述[J].高電壓技術(shù),2018,44(10):3207-3220.YangYuan,WenYang,LiGuoyu.Reviewonhigh-powerIGBTmoduleanddrivecircuit[J].HighVoltageEngineering,2018,44(10):3207-3220.[36]張經(jīng)緯,張?zhí)?馮源,等.SiCMOSFET串聯(lián)短路動態(tài)特性[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2021,36(12):2446-2458.ZhangJingwei,ZhangTian,FengYuan,etal.Dynamiccharacterizationassessmentonseriesshort-circuitofSiCMOSFET[J].ProceedingsoftheCSEE,2021,36(12):2446-2458.[37]莊桂元,張興,劉威,等.帶飛跨電容的三電平拓?fù)渲蠸iCMOSFET過電壓與過電流保護(hù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2021,36(2):341-351.ZhuangGuiyuan,ZhangXing,LiuWei,etal.Over-voltageandovercurrentprotectionofSiCMOSFETinthree-leveltopologywithflyingcapacitor[J].Pro-ceedingsoftheCSEE,2021,36(2):341-351.[38]康建龍,辛振,陳建良,等.SiCMOSFET短路失效與退化機(jī)理研究綜述及展望[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2021,41(3):1069-1084.KangJianlong,XinZhen,ChenJianliang,etal.Reviewandprospectofshort-circuitfailureanddegradationmechanismofSiCMOSFET[J].Pro-ceedingsoftheCSEE,2021,41(3):1069-1084.[39]ReigosaPD,IannuzzoF,LuoH,etal.Ashort-circuitsafeoperationareaidentificationcriterionforSiCMOSFETpowermodules[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2017,53(3):2880-2887.[40]JiShiqi,LaitinenM,HuangXinghuan,etal.Short-circuitcharacterizationandprotectionof10kVSiCMOSFET[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2019,31(2):1755-1764.[41]WeiJiaxing,LiuSiyang,YangLanlan,etal.ComprehensiveanalysisofelectricalparametersdegradationsforSiCpowerMOSFETsunderrepetitiveshort-circuitstress[J].IEEETransactionsonElectronDevices,2018,65(12):5440-5447.[42]BabaS,GieraltowskiA,JasinskiMT,etal.ActivepowercyclingtestbenchforSiCpowerMOSFETs-principles,designandimplementation[J].IEEETransa-ctionsonPowerElectronics,2020,36(2):2661-2675.[43]楊媛,文陽.大功率IGBT驅(qū)動與保護(hù)技術(shù)[M],北京:科學(xué)出版社,2018.[44]MaerzA,BertelshoferT,HORFFR,etal.Require-mentsofshort-circuitdetectionmethodsandturn-offforwidebandgapsemiconductors[C]//CIPS2016:9thInternationalConferenceonIntegratedPowerElec-tronicsSystems,Nuremberg,Germany,2016:1-6.[45]WangZhiqiang,ShiXiaojie,XueYang,etal.Design2022年5月2548電工技2022年5月2548andperformanceevaluationofovercurrentprotectionschemesforSiliconcarbide(SiC)powerMOSFETs[C]//2013IEEEEnergyConversionCongressandExpo-sition,Denver,2013:5418-5425.[46]SunKeyao,WangJun,BurgosR,etal.Design,analysis,anddiscussionofshortcircuitandoverloadgate-driverdual-protectionschemefor1.2kV,400ASiCMOSFETmodules[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2019,35(3):3045-3068.[47]XueJu,XinZhen,WangHuai,etal.Animproveddi/dt-RCDdetectionforshort-circuitprotectionofSiCMOSFET[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2020,36(1):12-17.[48]WangJun,ShenZhiyu,DimarnoC,etal.Gatedriverdesignfor1.7kVSiCMOSFETmodulewithrogowskicurrentsensorforshort-circuitprotection[C]//2016IEEEAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition(APEC),LongBeach,2016:516-523.[49]WangJun,ShenZhiyu,BurgosR,etal.Integratedswitchcurrentsensorforshort-circuitpr