技术向 | 浅谈SiC功率器件短路测试方法和原理 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

1.概述

SiC功率器件凭借其耐高压、耐高温、开关速度快等特点，在众多电力电子产品应用中展现出独特的优势。然而在实际应用中，出现短路问题是不可避免的。由于SiC器件面积小、短路电流高、漂移层薄等特点，其短路耐受时间相对传统Si器件要短得多。传统Si器件在数据手册中标称的短路电流一般为5~10μs，而大部分SiC器件都没有标出短路能力，即使标注，耐受时间也较短。

SiC器件的短路耐受能力与其内部结构和材料特性密切相关。‌例如，‌SiC材料的临界电场强度约是硅材料的10倍，‌因此SiC MOSFET的漂移区仅需要Si IGBT的十分之一。这导致在短路情况下，SiC MOSFET的热量更加集中，温度更高，从而在短路条件下的性能表现与Si IGBT有所不同。

在相同的栅极电压下，IGBT器件通常在4至6倍的短路电流时进入退饱和状态，并且有明显的退饱和点；而SiC器件则没有明显的退饱和点，短路电流可以达到8至10倍甚至更高。这些差异进一步凸显了SiC与IGBT在短路行为上的显著不同。

图1 IGBT和SiC MOSFET短路特性

2.SiC MOSFET短路原理

典型的SiC MOSFET短路原理波形如图2所示，可以分为4个工作状态。

图2 SiC MOSFET短路波形

时刻1[~t1]：SiC MOSFET处于截止状态，直流母线电压UDC直接加在被测器件两端。

时刻2[t1~t2]：t1时刻，被测器件开通。由于功率回路阻抗很小，SiC MOSFET漏极电流急剧增大。同时，短路电流变化率di/dt作用于回路寄生电感LS，在LS上产生一个与直流母线电压极性相反的电压VS，导致SiC MOSFET漏源极电压有所下降。Vds此刻电压可表示为：

在短路电流上升过程中，SiC MOSFET的功率损耗导致自发热，SiC MOSFET结温逐渐升高，导通电阻也随之逐渐增大，导致di/dt逐渐减小，这是因为在短路回路中SiC MOSFET导通之后，导通电阻、寄生电感组成了一个一阶LR串联电路，随着导通电阻的增大，回路阻抗增大，电流上升速率有所降低，SiC MOSFET漏源极Vds又逐渐升高。

时刻3[t2~t3]：随着结温的升高，t2时刻SiC MOSFET沟道载流子迁移率开始降低，导致流过开关管的饱和电流减小，Vds会略微上升，di/dt为负。

时刻4[t3~]：t3时刻开关管关断，开关管端电压出现关断过压，电流逐渐减小到零，同时负的di/dt作用于杂感会产生和母线电容同向的感应电动势VS，共同施加在器件上，产生关断尖峰，由于短路远大于额定电流，这个关断尖峰如果不能有效控制，有可能会导致器件电压应力失效，此刻：

3.短路测试方法

SiC器件短路测试是为了测试功率器件能够承受的最大电流。电流过载发生时，漏极电流迅速上升，功率器件需要在电流峰值维持安全水平。短路测试可以‌用于评估功率器件在极端条件下的性能。‌对于SiC MOSFET而言，‌短路测试旨在模拟电流过载情况，‌以检验器件在短路条件下的安全运行能力。‌测试过程中，‌通过控制特定的试验条件，‌如门极开通和关断电阻以及高压母线电压，‌来模拟短路事件的发生。‌短路回路电感量低，‌短路能量全部来自于母排电容组。

功率器件短路测试方法一般有两种，一是用短铜排的方式进行短路，如图3，但由于外部铜排不可避免引入杂感LS，但这种情况下会导致电流上升斜率变慢，2μs内无法达到器件饱和电流，这样通常短路能量无法满足测试要求。特别是在ATE产线设备中，由于回路的切换在短铜排中还需要串联切换的继电器，使得LS必然会比较大。

图3 外部短路

另外一种方式就是过非动作管以正压保持导通状态，‌而动作管（‌待测管）‌则以单脉冲驱动形成桥臂直通，如图4，‌从而产生短路条件。桥臂直通短路，通常的陪测管栅极提前给常开，被测管栅极发脉冲，同时需要注意的是如果被测管和陪测管栅压相同的话，陪测管也会分担母线电压。所以，为了考核被测管在极端条件下的性能，通常需要被测管栅压稍大于陪测管，即陪测管门极大于被测管门极1~2V。