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重复应力条件下沟槽型碳化硅MOSFET短路安全工作区的确定
Determination of Short-Circuit Safe Operating Area of Trench SiC MOSFETs Under Repetitive Stress Conditions
| 作者 | Renze Yu · Saeed Jahdi · Phil Mellor · Olayiwola Alatise · Martin Kuball |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年6月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 碳化硅MOSFET 短路测量 短路安全工作区 短路能量 可靠性 |
语言:
中文摘要
在本研究中，对对称双沟槽和非对称沟槽碳化硅（SiC）金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFET）在不同短路持续时间（<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>）和漏源电压（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} {_{\text {ds}}}$ </tex-math></inline-formula>）下进行了重复短路测量。对碳化硅MOSFET的短路安全工作区（SCSOA）进行了表征。结果表明，在所有测试条件下失效的器件均出现栅源短路故障。失效循环次数与短路能量（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${E} {_{\text {sc}}}$ </tex-math></inline-formula>）有关，而短路能量受<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>和<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} {_{\text {ds}}}$ </tex-math></inline-formula>的影响。此外，测量结果还表明了一个重要结论，即即使在相同的<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${E} {_{\text {sc}}}$ </tex-math></inline-formula>下，提高<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} {_{\text {ds}}}$ </tex-math></inline-formula>偏置也会降低碳化硅MOSFET的可靠性。然而，在低于特定<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${E} {_{\text {sc}}}$ </tex-math></inline-formula>阈值下承受电热应力的器件，即使在高<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V} {_{\text {ds}}}$ </tex-math></inline-formula>下也能保持高可靠性且性能不退化。针对两种类型的沟槽碳化硅MOSFET，建立了数学模型来描述短路循环次数与测试条件之间的关系。研究发现，如果并联的沟槽碳化硅MOSFET在短路安全工作区外驱动，即使<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${E} {_{\text {sc}}}$ </tex-math></inline-formula>存在微小差异，也会导致可靠性出现差异，最终影响电力电子系统的整体可靠性。
English Abstract
In this work, repetitive short-circuit measurements are performed on symmetrical double-trench and asymmetrical trench silicon carbide (SiC) MOSFETs under different short-circuit durations ( t _ {sc} ) and drain-source voltages ( V _ {ds} ). The short-circuit safe operating area (SCSOA) of SiC MOSFETs is characterized. Results show that the failed devices under all test conditions exhibit gate-source short-circuit failure. The number of cycles to failure is related to the short-circuit energy ( E _ {sc} ), which is affected by t _ {sc} and V _ {ds} . Besides, an important result demonstrated by the measurements is that the increase in V _ {ds} bias can reduce the reliability of SiC MOSFETs even under the same E _ {sc} . However, the devices that were electrothermally stressed below certain E _ {sc} thresholds maintain high reliability without degradation even at high V _ {ds} . Mathematical models were developed to describe the relationship between the number of short-circuit cycles and the test conditions for both types of trench SiC MOSFETs. It is revealed that if parallel trench SiC MOSFETs are driven outside the SCSOA, even a small difference in E _ {sc} is able to cause reliability disparities, which will ultimately affect the overall reliability of the power electronics system.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于沟槽型SiC MOSFET短路安全工作区（SCSOA）的研究具有重要的工程应用价值。作为光伏逆变器和储能变流器的核心功率器件，SiC MOSFET的可靠性直接影响系统的安全性和全生命周期成本。
该研究揭示了重复短路应力下器件失效的关键机理，特别是栅源短路失效模式与短路能量Esc的定量关系。这为我们优化逆变器的短路保护策略提供了理论依据。研究发现即使在相同短路能量下，更高的漏源电压Vds仍会降低器件可靠性，这一发现对于我们设计高压大功率系统（如1500V光伏系统、储能PCS）具有重要指导意义，提示我们需要在保护算法中综合考虑电压和能量双重约束。
论文建立的数学模型能够预测不同工况下的失效循环次数，这对于产品设计阶段的可靠性评估和加速寿命测试具有实用价值。特别值得关注的是，研究指出并联器件在SCSOA边界外运行时，即使微小的能量差异也会导致可靠性分化，最终影响整体系统可靠性。这对于我们采用多管并联拓扑的大功率产品设计具有警示作用，需要在器件筛选、热设计和保护电路设计上采取更严格的一致性控制措施。
技术挑战在于如何将实验室条件下的SCSOA数据转化为实际工况的保护参数，需要考虑温度循环、湿度等环境因素的影响。建议与器件供应商深度合作，建立面向应用场景的器件可靠性数据库，并在下一代产品中集成基于SCSOA的智能保护算法，进一步提升系统可靠性和市场竞争力。