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储能系统技术 储能系统 SiC器件 工商业光伏 ★ 4.0

嵌入式肖特基势垒二极管的1200 V碳化硅MOSFET在短路条件下的失效机制

Failure Mechanism of 1200-V SiC MOSFET With Embedded Schottky Barrier Diode Under Short-Circuit Condition

作者 Xu Li · Xiaochuan Deng · Zhengxiang Liao · Xuan Li · Renxu Jia · Bo Zhang
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年1月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 SiC器件 工商业光伏
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 碳化硅MOSFET 肖特基势垒二极管 短路鲁棒性 失效机制 短路电流
语言:

中文摘要

本文对一款带有嵌入式肖特基势垒二极管的商用碳化硅(SiC)MOSFET(SBD - MOS)的短路鲁棒性和失效机制进行了评估和揭示。与传统平面型SiC MOSFET(C - MOS)相比,在短路条件下,SBD - MOS的失效现象存在显著差异。当SBD - MOS在600 V母线电压下的短路耐受时间(<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${t}_{\text {sc}}$ </tex - math></inline - formula>)超过<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">$3.5~\mu $ </tex - math></inline - formula>s时,即使栅极关断,该器件也无法关断。在短暂下降后,短路电流会再次上升并持续一段时间,最终导致器件发生破坏性失效。相比之下,C - MOS未出现类似情况,其<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${t}_{\text {sc}}$ </tex - math></inline - formula>可达<inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">$6.5~\mu $ </tex - math></inline - formula>s。有限元模拟和物理分析表明,短路应力会在嵌入式肖特基势垒二极管(SBD)内产生严重的泄漏电流,从而阻碍短路电流的中断。不幸的是,SBD泄漏电流引起的功耗与温度形成正反馈,因此温度会持续升高至更高值,最终导致器件发生破坏性失效。

English Abstract

The short-circuit ruggedness and failure mechanism of a commercial silicon carbide (SiC) MOSFET with embedded Schottky barrier diode (SBD-MOS) are evaluated and revealed in this article. Compared with a conventional planar-type SiC MOSFET (C-MOS), a distinctive difference in failure phenomenon is observed for SBD-MOS under short-circuit condition. When the short-circuit withstanding time ( t_ sc ) of SBD-MOS exceeds 3.5~ s at 600-V bus voltage, the device fails to shut down, even though the gate is turned off. After a brief decrease, the short-circuit current rises again and continues for a period of time, eventually leading to the destructive failure. In contrast, C-MOS does not observe a similar event and t_ sc reaches to 6.5~ s. The finite-element simulation and physical analysis reveal that short-circuit stress cause a severe leakage current within the embedded SBD, thereby preventing the interruption of short-circuit current. Unfortunately, the power dissipation caused by SBD leakage current provides a positive feedback with temperature, and thus, temperature continuously increases toward a higher value, eventually leading to the destructive failure of devices.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于1200V SiC MOSFET短路失效机制的研究具有重要的工程应用价值。作为光伏逆变器和储能系统的核心功率器件,SiC MOSFET的可靠性直接影响产品的安全性和市场竞争力。

该研究揭示了嵌入式肖特基势垒二极管(SBD-MOS)在短路条件下的独特失效模式:当短路承受时间超过3.5微秒时,器件即使关断栅极也无法中断电流,最终导致破坏性失效。这一发现对我们的产品设计具有直接指导意义。目前阳光电源在大功率组串式逆变器和储能变流器中广泛采用SiC器件以提升效率和功率密度,但这种特殊的失效机制提示我们需要重新审视短路保护策略。

从技术挑战角度,SBD结构引入的漏电流正反馈机制要求我们在电路设计中必须采用更快速的短路检测和保护方案,将响应时间控制在3微秒以内。这对现有的DSP控制算法和硬件保护电路提出了更高要求。同时,该研究也为器件选型提供了重要参考:在高可靠性要求场景下,传统平面型SiC MOSFET可能比SBD-MOS更具优势,尽管其反向恢复特性略逊一筹。

从机遇层面,深入理解这一失效机制使我们能够与上游器件厂商开展联合开发,推动改进型SBD-MOS结构的设计,或开发针对性的热管理和保护方案。这不仅能提升产品差异化竞争力,还能在系统级可靠性方面建立技术壁垒,特别是在电动汽车充电桩和高压储能系统等对短路保护要求极高的应用领域。建议将此研究成果纳入我们的器件失效分析数据库,指导下一代产品的安全设计规范制定。