西安理工大学科研人员发表SiC MOSFET短路保护技术的研究综述

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经过半个世纪的发展，传统硅（Silicon, Si）功率半导体器件性能已达到极限，难以满足新能源装备高效、高功率密度等新的发展需求。碳化硅（Silicon Carbide, SiC）金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）具有低开关损耗、高开关频率、高耐压值以及优异的温度特性，在大功率电力电子应用中对散热器的性能要求大大降低，使得整个电力电子装置的转换效率、功率密度及稳定性大幅提升。

然而，短路故障是导致SiC MOSFET失效的重要原因之一，严重阻碍其应用。尽管SiC MOSFET具有较好的导热性能，但与Si器件和SiC场效应晶体管的短路性能相比，SiC MOSFET的短路保护在以下几个方面更具挑战性。

首先，在相同额定电流容量下，SiC MOSFET芯片面积小、电流密度高，这就导致SiC MOSFET短路承受能力较弱。在600V母线电压下对1200V/ 33A SiC MOSFET进行硬短路测试，被测器件在约13μs后失效损坏，然而在短路发生约5μs时被测器件栅-源极泄漏电流突然增大，这表明栅-源极已经退化。研究发现，在短路工况下，SiC MOSFET通道迁移率的正温度系数高达600K，这就导致SiC MOSFET的短路承受能力和鲁棒性明显低于SiC 结型场效应晶体管。

其次，在短路工况下，SiC MOSFET较弱的界面质量会带来栅极氧化层可靠性问题，对SiC MOSFET的稳定工作产生负面影响。随着制造商工艺的改进，该问题得到了有效缓解，但是短路发生时，器件结温迅速升高到125℃以上，Fowler- Nordheim沟道电流进入电介质导致栅极氧化层出现明显退化；由于SiC MOSFET需要更高的正向栅极偏压，栅电场的增高会进一步加剧短路时栅极氧化层退化问题。

此外，为了确保SiC MOSFET可靠运行在安全工作区内，其较弱的短路承受能力就要求短路保护电路具有更快的响应速度。然而，与Si器件相比，SiC MOSFET的结电容更小、开关速度更高。SiC MOSFET独特的正温度系数跨导导致其开通时的dI/dt和dV/dt随着结温的升高均增大。在较高的dI/dt和dV/dt条件下，SiC MOSFET短路保护电路的快速响应与抗噪声能力难以兼顾。

上述研究表明，SiC MOSFET短路保护难度大，短路时SiC MOSFET芯片更易受损。为了解决这一问题，国内外学者在SiC MOSFET短路保护方面做了很多工作，主要涵盖SiC MOSFET短路测试方法、失效模式与失效机理、短路检测方法以及关断策略等。

为了全面介绍SiC MOSFET短路保护技术，加深对短路故障的理解，为科研与技术人员在高频、高效率电力电子场合更好地使用SiC MOSFET器件提供借鉴，西安理工大学自动化与信息工程学院、西安思源学院工学院的研究人员文阳、杨媛、宁红英、张瑜、高勇，在2022年第10期《电工技术学报》上撰文，介绍了SiC MOSFET不同短路类型以及短路测试方法，分析SiC MOSFET短路失效模式及失效机理，详细梳理现有SiC MOSFET短路检测与短路关断技术的原理与优缺点，对现有SiC MOSFET短路保护技术在应用中存在的问题与挑战进行讨论，并展望SiC MOSFET短路保护技术的发展趋势。

表1  短路的类型与特征

表2  SiC MOSFET短路测试方法对比

研究人员通过分析指出，SiC MOSFET高速开关特性以及现有工艺技术导致其短路承受能力较弱，而现有短路保护技术普遍存在响应速度慢、易误触发、电路复杂以及成本高等缺点，这些问题严重威胁SiC MOSFET的安全运行，阻碍SiC MOSFET的广泛应用。

表3  SiC MOSFET短路失效模式对比

表4  SiC MOSFET短路检测方法

因此，他们认为未来的挑战与研究课题主要涉及以下几个方面：

1）SiC MOSFET短路承受能力提升。栅极可靠性问题严重制约着SiC MOSFET为代表的宽禁带半导体器件短路承受能力。随着科学技术的发展，新的器件结构、新的制造工艺和新兴材料的研发将是提升其栅极可靠性、改善短路承受能力的关键所在。

2）SiC MOSFET的短路检测技术。相比于IGBT，SiC MOSFET开关速度更快，短路承受能力较弱，电磁干扰更严重。因此，现有短路检测方法已不能满足SiC MOSFET应用中短路检测的技术需求，研发适用于SiC MOSFET的快速、可靠短路检测技术将是未来研究方向之一。

3）SiC MOSFET短路关断策略。SiC MOSFET短路承受能力弱，短路时需要快速关断短路电流，而较快的电流变化很可能导致SiC MOSFET因过电压击穿而损坏。传统短路软关断策略不能权衡关断损耗和关断过电压之间关系，很可能造成SiC MOSFET在软关断过程中发生热逃逸或栅极失效。因此，权衡关断损耗和过电压的SiC MOSFET短路关断策略也将是未来研究课题之一。

本文编自2022年第10期《电工技术学报》，论文标题为“SiC MOSFET短路保护技术综述”。本课题得到了国家自然基金项目、陕西省教育厅专项科学研究计划项目和陕西省创新能力支撑计划项目的支持。

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