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SiC 器件短路事件故障模型分析
接线图
2024年10月20日 19:21 35
admin
碳化硅功率器件已成为一种有前途的技术，因为人们对降低能耗和在高开关频率应用下工作的兴趣日益浓厚。碳化硅还可以承受高工作温度，使其成为工业环境的理想选择。宽带隙半导体器件的出现使工程师能够设计电力电子系统以满足特定的应用要求。1除碳化硅外，氮化镓也属于宽带隙类别。在设计任何电力系统之前需要考虑的一些主要因素是成本、效率、功率密度、复杂性和可靠性。
由于开关速度快、导通电阻低，SiC MOSFET 通常容易因短路事件而损坏。3安徽工业大学电气与信息工程学院的一组研究人员介绍了两种常用功率器件中 SiC 器件在短路事件中的故障模型：SiC MOSFET（Cree 的 N 沟道增强型 SiC MOSFET）和 SiC JFET（英飞凌的普通 SiC JFET）。
开发短路事件中 SiC 晶体管的故障模型
图 1：故障前 SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）中的空穴电流密度分布
SiC JFET和 SiC MOSFET故障模型的示意图是考虑到漏电流的引入而设计的。虚线框中的结构是传统电路模型的一部分，与通道电流 I CH并联的附加电流分量 I DS_LK是晶体管 N 漂移区和 P 基区之间的 pn 结上的漏电流。在研究中，研究人员明确指出，由于没有栅极上的电压偏置来打开器件，因此不考虑 SiC JFET 的栅极漏电流。
图 2：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的故障模型
通过 pn 结的漏电流表达式由热生成电流 I th、雪崩电流 I av和扩散电流 I diff组成。然而，对于栅极氧化物中的漏电流，已经提出了几种方法，其中该团队考虑了 Fowler-Nordheim (FN) 隧穿和 Poole-Frenkel (PF) 发射。因此，电流 I FN和 I PF被认为对 SiC MOSFET 栅极氧化物的漏电流有贡献。
对于 SiC MOSFET 的电路仿真，使用基于 Shichman-Hodges 物理模型的 SPICE Level 1 模型来描述三种模式——截止区、线性区和饱和区——而对于 SiC JFET，则使用 Shockley 物理模型。通常，在短路事件中，通道中的电荷载流子会受到更高电流应力的影响，并且相对于正常开关状态被加热到更高的温度。因此，通道载流子的精确迁移率模型对于了解载流子行为对晶体管短路性能的影响非常重要。
故障模型的验证
在短路故障情况下对所开发的 SiC JFET 和 SiC MOSFET 故障模型进行了验证，图中显示了从模型中获得的故障电流与本文结果的比较。6,7结果表明，在 400 V 直流电压下，SiC JFET 的短路故障时间 (tSC) 为 150 μs，而在 600 V 直流电压下，SiC MOSFET 的短路故障时间 (tSC) 为 13 μs。（编者注：图 3 显示参考文献 24 和 25，在本文中视为参考文献 6 和 7。）
“载流子迁移率依赖于温度和电场强度，这对于准确开发 SiC 功率器件的故障模型是必不可少的，”该团队指出。“此外，通过改变 I DS_LK的三个电流分量的组合模式，可以得出一个结论，即 I TH决定了所开发的模型是否能够模拟器件的故障。因此，短路期间的热生成电流决定了故障效应。”
短路故障情况下的验证示意图如下，其中V DC为直流母线电压，R S为电路环路的杂散电阻，R G为栅极电阻，DUT 为器件（SiC JFET 或 SiC MOSFET）。图中演示了两种故障模式，红色曲线为第一种故障模式，蓝色曲线为第二种故障模式。需要注意的一些参数是，SiC JFET 的故障时间比 SiC MOSFET 的故障时间长得多，SiC JFET 的饱和电流低于 SiC MOSFET。这些变化的原因是载流子迁移率系数与温度有关。
“对于即时故障，SiC JFET 表现出比 SiC MOSFET 更好的短路容量，并且 SiC JFET 的故障时间和临界故障能量都高于 SiC MOSFET，”该团队总结道。“对于延迟故障，在较低的直流母线电压下，SiC JFET 的故障时间比 SiC MOSFET 长得多；然而，对于较高的直流母线电压，两个 SiC 晶体管的故障时间差异似乎很小。”
由于开关速度快、导通电阻低，SiC MOSFET 通常容易因短路事件而损坏。3安徽工业大学电气与信息工程学院的一组研究人员介绍了两种常用功率器件中 SiC 器件在短路事件中的故障模型：SiC MOSFET（Cree 的 N 沟道增强型 SiC MOSFET）和 SiC JFET（英飞凌的普通 SiC JFET）。
开发短路事件中 SiC 晶体管的故障模型
在 Wang 等人提出的论文中，研究表明，在短路事件下，故障电流高于功率器件的额定电流。5这意味着漏电流是导致故障电流的原因之一，为了验证这一点，使用了技术计算机辅助设计 (TCAD) 模拟。SiC JFET 和 SiC MOSFET 的电流分量描述了两个 SiC 晶体管中的空穴电流密度。通过分析执行文件，我们可以得出结论，高密度空穴电流流过晶体管的 N 漂移区和 P 基极区之间的 pn 结。“TCAD 模拟还表明，对于 SiC MOSFET，高浓度载流子聚集在 JFET 区域的顶部；其中一小部分注入栅极氧化物并在高温和高电场强度的应力下形成栅极漏电流，”该团队解释说。
图 1：故障前 SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）中的空穴电流密度分布
SiC JFET和 SiC MOSFET故障模型的示意图是考虑到漏电流的引入而设计的。虚线框中的结构是传统电路模型的一部分，与通道电流 I CH并联的附加电流分量 I DS_LK是晶体管 N 漂移区和 P 基区之间的 pn 结上的漏电流。在研究中，研究人员明确指出，由于没有栅极上的电压偏置来打开器件，因此不考虑 SiC JFET 的栅极漏电流。
图 2：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的故障模型通过 pn 结的漏电流表达式由热生成电流 I th、雪崩电流 I av和扩散电流 I diff组成。然而，对于栅极氧化物中的漏电流，已经提出了几种方法，其中该团队考虑了 Fowler-Nordheim (FN) 隧穿和 Poole-Frenkel (PF) 发射。因此，电流 I FN和 I PF被认为对 SiC MOSFET 栅极氧化物的漏电流有贡献。
SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）故障模型验证
对于 SiC MOSFET 的电路仿真，使用基于 Shichman-Hodges 物理模型的 SPICE Level 1 模型来描述三种模式——截止区、线性区和饱和区——而对于 SiC JFET，则使用 Shockley 物理模型。通常，在短路事件中，通道中的电荷载流子会受到更高电流应力的影响，并且相对于正常开关状态被加热到更高的温度。因此，通道载流子的精确迁移率模型对于了解载流子行为对晶体管短路性能的影响非常重要。
故障模型的验证
在短路故障情况下对所开发的 SiC JFET 和 SiC MOSFET 故障模型进行了验证，图中显示了从模型中获得的故障电流与本文结果的比较。6,7结果表明，在 400 V 直流电压下，SiC JFET 的短路故障时间 (tSC) 为 150 μs，而在 600 V 直流电压下，SiC MOSFET 的短路故障时间 (tSC) 为 13 μs。（编者注：图 3 显示参考文献 24 和 25，在本文中视为参考文献 6 和 7。）
“载流子迁移率依赖于温度和电场强度，这对于准确开发 SiC 功率器件的故障模型是必不可少的，”该团队指出。“此外，通过改变 I DS_LK的三个电流分量的组合模式，可以得出一个结论，即 I TH决定了所开发的模型是否能够模拟器件的故障。因此，短路期间的热生成电流决定了故障效应。”
短路事件性能比较示意图
短路故障情况下的验证示意图如下，其中V DC为直流母线电压，R S为电路环路的杂散电阻，R G为栅极电阻，DUT 为器件（SiC JFET 或 SiC MOSFET）。图中演示了两种故障模式，红色曲线为第一种故障模式，蓝色曲线为第二种故障模式。需要注意的一些参数是，SiC JFET 的故障时间比 SiC MOSFET 的故障时间长得多，SiC JFET 的饱和电流低于 SiC MOSFET。这些变化的原因是载流子迁移率系数与温度有关。
SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的两种故障模式
“对于即时故障，SiC JFET 表现出比 SiC MOSFET 更好的短路容量，并且 SiC JFET 的故障时间和临界故障能量都高于 SiC MOSFET，”该团队总结道。“对于延迟故障，在较低的直流母线电压下，SiC JFET 的故障时间比 SiC MOSFET 长得多；然而，对于较高的直流母线电压，两个 SiC 晶体管的故障时间差异似乎很小。”
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