SiC MOSFET短路保護技術綜述

文 陽 楊 媛 寧紅英 張 瑜 高 勇

SiC MOSFET短路保護技術綜述

文 陽1楊 媛1寧紅英1張 瑜2高 勇1

（1. 西安理工大學自動化與信息工程學院 西安 710048 2. 西安思源學院工學院 西安 710038）

隨著電力電子技術的飛速發展，SiC MOSFET以優異的材料特性在高頻、高壓、高溫電力電子應用中展現了顯著的優勢。然而，SiC MOSFET較高的開關速度與較弱的短路承受能力對短路保護技術帶來了新的挑戰。該文首先介紹SiC MOSFET不同短路類型以及短路測試方法；其次對SiC MOSFET短路失效模式及失效機理進行分析；然后詳細梳理現有SiC MOSFET短路檢測與短路關斷技術的原理與優缺點，討論現有SiC MOSFET短路保護技術在應用中存在的問題與挑戰；最后對SiC MOSFET短路保護技術的發展趨勢進行展望。

SiC MOSFET 短路測試 短路失效 短路保護

0 引言

經過半個世紀的發展，傳統硅（Silicon, Si）功率半導體器件性能已達到極限，難以滿足新能源裝備高效、高功率密度等新的發展需求[1-4]。碳化硅（Silicon Carbide, SiC）金屬-氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）具有低開關損耗、高開關頻率、高耐壓值以及優異的溫度特性，在大功率電力電子應用中對散熱器的性能要求大大降低，使得整個電力電子裝置的轉換效率、功率密度及穩定性大幅提升[5-6]。然而，短路故障是導致SiC MOSFET失效的重要原因之一，嚴重阻礙其應用[4-6]。盡管SiC MOSFET具有較好的導熱性能，但與Si器件和SiC場效應晶體管的短路性能相比，SiC MOSFET的短路保護在以下幾個方面更具挑戰性。

首先，在相同額定電流容量下，SiC MOSFET芯片面積小、電流密度高，這就導致SiC MOSFET短路承受能力較弱[7]。在600V母線電壓下對1 200V/ 33A SiC MOSFET進行硬短路測試，被測器件在約13ms后失效損壞，然而在短路發生約5ms時被測器件柵-源極泄漏電流突然增大，這表明柵-源極已經退化[7-9]。研究發現，在短路工況下，SiC MOSFET通道遷移率的正溫度系數高達600K，這就導致SiC MOSFET的短路承受能力和魯棒性明顯低于SiC 結型場效應晶體管[10-11]。

其次，在短路工況下，SiC MOSFET較弱的界面質量會帶來柵極氧化層可靠性問題，對SiC MOSFET的穩定工作產生負面影響[12-13]。隨著制造商工藝的改進，該問題得到了有效緩解，但是短路發生時，器件結溫迅速升高到125℃以上，Fowler- Nordheim溝道電流進入電介質導致柵極氧化層出現明顯退化[14-16]；由于SiC MOSFET需要更高的正向柵極偏壓，柵電場的增高會進一步加劇短路時柵極氧化層退化問題[17-18]。

此外，為了確保SiC MOSFET可靠運行在安全工作區內，其較弱的短路承受能力就要求短路保護電路具有更快的響應速度。然而，與Si器件相比，SiC MOSFET的結電容更小、開關速度更高。SiC MOSFET獨特的正溫度系數跨導導致其開通時的d/d和d/d隨著結溫的升高均增大[19]。在較高的d/d和d/d條件下，SiC MOSFET短路保護電路的快速響應與抗噪聲能力難以兼顧。

上述研究表明，SiC MOSFET短路保護難度大，短路時SiC MOSFET芯片更易受損。為了解決這一問題，國內外學者在SiC MOSFET短路保護方面做了很多工作，主要涵蓋SiC MOSFET短路測試方法、失效模式與失效機理、短路檢測方法以及關斷策略等。因此，本文旨在全面介紹SiC MOSFET短路保護技術，加深對短路故障的理解，為科研與技術人員在高頻、高效率電力電子場合更好地使用SiC MOSFET器件提供借鑒。

1 短路故障與測試方法

1.1 短路故障類型

按短路回路電感值的大小和短路位置可將短路故障分為一類短路和二類短路，短路的類型與特征見表1。

表1 短路的類型與特征

Tab.1 Type and characteristics of short-circuit

由于短路回路電感較小，一類短路故障電流上升快，對功率器件危害大，保護難度較高。按照短路發生時刻，一類短路又可以分為硬開關故障（Hard Switching Fault, HSF）與負載故障（Fault Under Load, FUL）兩類。圖1所示為SiC MOSFET短路故障典型波形。可以看出，HSF發生時刻在SiC MOSFET開通瞬間，如圖1a所示。當HSF發生時，漏極電流D快速上升到最大值，然后回落至穩定的短路電流值。由于回路電感極小，漏-源極電壓DS小幅下降后又穩定在母線電壓；FUL發生在SiC MOSFET完全導通之后，如圖1b所示。當FUL發生時，短路電流從負載電流迅速上升，SiC MOSFET兩端電壓也隨之上升至母線電壓。不論是HSF還是FUL發生時，SiC MOSFET都承受著巨大的短路能量。由于SiC MOSFET芯片面積較小、電流密度較大，巨大的能量可能會在短時間內燒毀SiC MOSFET[20]。

圖1 功率器件短路故障典型波形

1.2 短路測試方法

短路測試是研究功率器件短路特性、測試短路保護電路性能的重要方法。目前常見的SiC MOSFET短路測試方法有兩種，各自優缺點和適用場合見表2。

（1）基于雙脈沖測試的短路測試方法。該方法使用“粗短銅排”代替雙脈沖測試電路中的負載電感來模擬短路，如圖2a所示。當脈沖發生器向驅動器1發送高電平信號時，打開上橋臂SiC MOSFET，再向驅動器2發送高電平信號，就可以實現HSF；當脈沖發生器向驅動器2發送一個信號使待測SiC MOSFET正常開啟時，再向短路控制開關S1發送閉合信號使故障電感Fault接入功率回路，就可以實現FUL。

表2 SiC MOSFET短路測試方法對比

Tab.2 Comparison of SiC MOSFET short-circuit tests

圖2 不同的SiC MOSFET短路測試方法

（2）基于非線性元件的無損短路測試方法。不同的SiC MOSFET短路測試方法如圖2所示。該方法是在被測SiC MOSFET的短路回路中串入非線性元件[21-22]，如圖2b所示。非線性元件在額定電流時內阻較低，與SiC MOSFET相比飽和電流更小。當脈沖發生器通過驅動器1開啟該非線性元件時，再通過驅動器2開啟待測器件就可以模擬HSF。當短路電流達到該元件的飽和電流時，短路電流就會被限制。當短路電流持續增大時，該元件就會“熔斷”。

基于雙脈沖測試的短路測試方法可以真實地模擬實際短路工況，但開關S1的引入不僅使成本和控制邏輯復雜性大幅增加，額外的寄生電感也使得對寄生電感更為敏感的SiC MOSFET短路測試風險增加。此外，由于短路回路阻抗小，短路電流上升速率快，很容易對SiC MOSFET造成損壞，所以該方法主要用于SiC MOSFET短路保護電路性能測試。

基于非線性元件的無損短路測試方法可以很好地保護被測SiC MOSFET，避免嚴重損壞。為觀測SiC MOSFET短路現象、研究失效機理以及芯片工藝改進保留有效的實驗樣本，但是非線性元件的引入使該測試不能真實地模擬短路故障。此外，非線性元件的選型以及成本也不容忽視。

2 SiC MOSFET短路失效模式與機理

目前，SiC MOSFET的短路失效模式主要有柵-源極失效和熱逃逸失效[23-33]，兩者的失效條件、原因及特征詳見表3。

表3 SiC MOSFET短路失效模式對比

Tab.3 Comparison of SiC MOSFET short-circuit failure mode

2.1 柵-源極失效

圖3為SiC MOSFET（DF23MR12W1M1）在母線電壓dc=400V、柵-源極電壓gs=20V時的短路測試波形。在短路持續16ms后關斷SiC MOSFET，關斷后的SiC MOSFET出現了柵-源極失效現象。在柵-源極失效前，隨著短路時間增加，柵-源極電壓明顯下降，短路電流出現拖尾。在柵-源極失效后，柵-源極短路但漏-源極完好，觀察SiC MOSFET芯片表面上沒有明顯可見損傷，但是在電子顯微鏡下，可以觀察到柵極多晶硅和源極鋁之間的柵極層間電介質中出現了裂紋。利用能量色散譜儀對裂紋處元素進行分析，可以觀測到裂紋上方的源區大量鋁遷移到了裂紋中[23]，SiC MOSFET柵-源極失效后的芯片如圖4所示。

圖3 SiC MOSFET短路波形（Vdc=400V、Vgs=20V）

圖4 SiC MOSFET柵-源極失效后的芯片

研究表明，較大的短路電流導致器件結溫迅速升高，而SiC MOSFET柵極氧化層較薄且內部材料的熱膨脹系數不一致導致柵極氧化層在高溫時出現裂紋[24-26]。當器件結溫超過源極金屬鋁的熔點時，被高溫熔化的源極鋁金屬將散入裂紋中導致SiC MOSFET柵極與源極短路，使其呈現低阻特性[27-28]。因此，SiC MOSFET柵-源極失效是高溫和熱應力的共同作用結果。由于Si MOSFET熱逃逸溫度閾值較低，柵-源極失效現象只會出現在高溫半導體器件中，如SiC、GaN器件。

2.2 熱逃逸失效

熱逃逸又稱熱失控，是器件內部溫度升高到一定程度后引起器件劣化使溫度進一步升高，最終導致某一種破壞性的結果[29]。圖5為SiC MOSFET（DF23MR12W1M1）在母線電壓800V、柵-源極電壓20V時的短路測試波形?？梢钥吹?，在短路出現不到5ms時發生了熱逃逸失效，短路電流失去控制持續上升，直至SiC MOSFET燒毀。熱逃逸發生前，SiC MOSFET柵-源極電壓出現了下降，說明柵-源極阻抗已經下降。

圖5 SiC MOSFET短路測試波形（Vdc=800V、Vgs=20V）

通過介紹兩種失效模式的現象和成因不難看出，短路能量較低時可能會導致SiC MOSFET柵-源極失效，而短路能量較高時可能會使SiC MOSFET發生熱逃逸失效。SiC MOSFET柵-源極失效時不一定會發生熱逃逸失效，但是熱逃逸失效發生時必定伴隨有柵-源極失效。

3 SiC MOSFET短路保護技術

SiC MOSFET較弱的短路承受能力需要短路保護電路快速動作，但是較高的開關速度、開關振蕩以及關斷過電壓都給SiC MOSFET短路保護帶來了巨大挑戰[35]。為了確保SiC MOSFET安全可靠工作，快速可靠的短路檢測與短路關斷技術成為國內外學者研究的熱點問題。

3.1 短路檢測技術

目前，針對SiC MOSFET的短路檢測技術主要有退飽和檢測、寄生電感電壓檢測、電流傳感器法、分流器檢測、鏡像電流檢測和柵極電荷檢測六種，SiC MOSFET短路檢測方法見表4。下面將對上述方法的工作原理、優勢及存在的問題進行詳細介紹。

1）退飽和檢測

退飽和檢測原理簡單、成本低，廣泛應用于絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）短路保護中，但在SiC MOSFET的短路保護中采用該方法存在巨大挑戰[7, 36-41]，二極管式退飽和檢測如圖6所示。

圖6a為二極管式退飽和檢測電路。在SiC MOSFET導通時，當A點電壓A上升超過閾值th1時，比較器翻轉發出故障信號關斷器件。在SiC MOSFET關斷時，晶體管VT1導通將A點電壓下拉至低電平，檢測電路被屏蔽。該檢測電路工作原理如圖6b所示，PWM為高時，SiC MOSFET開始導通，在完全導通前，由于SiC MOSFET漏極電壓值較高，二極管（VDS1, …）反向截止，CC通過blk對blk充電，A點電壓升高。在SiC MOSFET完全導通之前，需要預留足夠的盲區時間bl防止檢測電路誤觸發。當SiC MOSFET發生短路退出“飽和”狀態時，A將上升超過閾值th1導致比較器翻轉。

表4 SiC MOSFET短路檢測方法

Tab.4 Short-circuit detection method of SiC MOSFET

圖6 二極管式退飽和檢測

在SiC MOSFET完全開通后，A點電壓A的大小可以表示為

式中，D為二極管正向導通壓降。

建議教師在使用教材中列舉的十等分的素材后，引導學生對所有的素材進行對比，從而發現使用的素材不同，但都表示把整體“1”平均分成10份、100份……表示其中的若干份，促使學生從對個別具體量的感知躍升為對一類現象的感知。在此基礎上增加一些非十等分的問題。如類似圖8的判斷題，讓學生在判斷和說理中明晰十等分的重要性?；蝾愃茍D9的不是等分成10份的數線，在錯誤答案0.2和正確答案0.4的辯論說理中再一次聚焦十等分。

可以看出，A點電位由SiC MOSFET導通壓降以及二極管的壓降決定。然而，在中大功率SiC MOSFET應用中，SiC MOSFET導通壓降較高，然而較高的母線電壓就需要多個二極管串聯來提高反向擊穿耐壓，這就導致A點電位升高很可能觸及閾值th1，進而引起檢測電路誤觸發。此外，SiC MOSFET開通瞬間漏-源極電壓振蕩也增加了檢測電路誤觸發的風險。

此外，業內公認IGBT具有約10ms的短路承受時間，但對于SiC MOSFET的短路承受時間，各大功率半導體器件廠商都沒有形成共識。英飛凌對外宣稱其Cool SiC MOSFET具有3ms的短路承受時 間[36]，基本半導體的SiC MOSFET短路承受時間則為6ms[37]，CREE和Rohm公司的SiC MOSFET短路承受時間約為2ms[7, 38]。然而，商用SiC MOSFET驅動器檢測盲區幾乎都在ms級別，例如，CREE公司的PT62SCMD17檢測盲區時間為1ms[32]，雖然該數值在器件廠商所提供的短路承受時間之內，但相比于SiC MOSFET的短路承受時間，ms級別的檢測盲區使得退飽和檢測的響應速度顯的杯水車薪。研究表明，SiC MOSFET即使承受1ms以內的短路應力，其電學特性也會發生退化[39-40]，承受的短路時間越長、短路次數越多，SiC MOSFET的電參數退化現象越明顯[41-42]。因此，當SiC MOSFET發生短路時，應該在第一時間進行短路保護動作，檢測盲區的存在不僅會造成SiC MOSFET短路時的電參數退化進而影響開關性能，還會大大增加SiC MOSFET短路失效的風險。

2）寄生電感電壓檢測

SiC MOSFET模塊功率源極和輔助源極之間存在寄生電感，電流的變化會在寄生電感上感應出一個電壓值[43-44]。由于短路時SiC MOSFET電流變化率dD/d較大，因此可以通過檢測感應電壓值來檢測短路故障，最典型的方法就是d/d檢測，如圖7a所示。圖7b為d/d檢測技術的工作原理，在正常開通過程中，快速上升的電流在SS上感應出一個負向電壓SS，該電壓值與電流變化率成正比。當發生短路故障時，D迅速上升，負向SS觸發保護閾值th3，短路器件被關斷。d/d檢測時間短、易于集成在驅動芯片中，但對寄生電感引起的噪聲特別敏感。此外，由于SiC MOSFET開通時較高的dD/d會感應出較大的負向SS，也可能觸發閾值th3導致保護電路誤觸發。

圖7 dI/dt檢測技術

鑒于此，華中科技大學Wang Zhiqiang等提出了基于電流評估的短路檢測電路，將寄生電感上感應的電壓利用RC積分電路得到對應電流值來實現短路檢測[45]，電流評估短路保護如圖8所示，SiC MOSFET漏極電流D與輸出電壓O的關系為

可以看出，輸出電壓O隨著D的增大而增加，當O達到閾值th時觸發比較器。將SiC MOSFET寄生電感上的感應電壓轉換成電流進行短路保護，可以有效地避免開通電流上升斜率過大引起的誤觸發問題，但也存在一定缺陷。圖8b中，1時刻，SiC MOSFET正常開通，-O隨D增大而呈比例上升，RC積分器可以正?！坝涗洝彪娏魃仙５?時刻后，D增大上升至負載電流水平，dD/d趨近于零，f通過SS和f放電，-O逐漸減小。到3時刻，O趨近于零。當4時刻出現短路故障時，短路電流將在負載電流的基礎上快速上升，但-O卻是從零上升，由于HSF和FUL使用的是同一閾值，因此FUL電流峰值將遠大于HSF。

圖8 電流評估短路保護

為此，美國弗吉尼亞理工大學Wang Jun團隊提出了兩級RC型短路保護電路對HSF和FUL進行單獨檢測[46]，改進的電流評估短路保護電路如圖9所示。通過加入電感o來減緩FUL時o放電現象。電感o越大、o放電越慢，但當FUL發生時刻大于一定值時，o電位下降至零。此外，較大的電感值也會減緩o充電過程，導致FUL保護響應時間變慢。為此，河北工業大學Xin Zhen等則進一步對上述方案進行了改進，如圖9b所示[47]。利用二極管VDblo的單向導電性來防止電容s放電，很好地解決了FUL發生時刻的不確定性所導致的s放電現象，但是電阻blo過大會同樣導致HSF和FUL保護響應時間變慢。

圖9 改進的電流評估短路保護電路

3）電流傳感器

電流傳感器廣泛應用在電力設備電流測量中，如霍爾器件、羅氏線圈等，其原理簡單且可靠性高，功率回路和測量回路具備電氣隔離，但帶寬較低、體積較大，不適用于高頻、高功率密度的SiC MOSFET短路保護應用。為此，Wang Jun等設計了一種適用于SiC MOSFET模塊短路保護的PCB型羅氏線圈[48-50]，如圖10所示。不僅方便安裝，高達200MHz的帶寬可以對SiC MOSFET模塊漏極電流進行準確的采集，為SiC MOSFET模塊短路保護提供可靠保障。然而，為了提高測量寬帶獲得更加精確的漏極電流，在PCB型羅氏線圈設計中需要增加線圈匝數。但是由于SiC MOSFET應用在高頻開關工況，增加PCB線圈匝數會嚴重影響其抗擾動性能，可能導致短路保護電路誤觸發。此外，PCB型羅氏線圈的信號還原電路實現較為復雜，嚴重阻礙了該方法的應用。

圖10 適用于SiC MOSFET模塊的PCB型羅氏線圈

4）分流器檢測

分流器檢測通常在功率回路串入電阻、同軸分流器等線性元件來進行短路保護[43]。在SiC MOSFET的短路保護中通常采用精度更高、響應速度更快且可靠性較高的同軸分流器。但是隨著功率回路電流的增加，同軸分流器所帶來的功耗以及高昂的成本不容忽視。為了解決該缺陷，北卡羅來納州立大學B. J. Baliga教授團隊將Si MOSFET串入SiC MOSFET回路作為“分流器”[21]，基于Si MOSFET非線性特性的短路保護電路如圖11所示，利用Si MOSFET漏極電壓和漏極電流成正比的特性，將漏極電壓作為SiC MOSFET短路檢測的依據。此外，通過給Si MOSFET柵-源極施加不同的偏置電壓，可以靈活調整其飽和電流來限制短路電流，防止SiC MOSFET短路損壞，但是Si MOSFET選型十分關鍵，在大電流應用場合，較高的損耗與成本使得該方法應用受到限制。

圖11 基于Si MOSFET非線性特性的短路保護電路

5）柵極電壓檢測

由于HSF發生時，SiC MOSFET的柵極電荷值G遠小于正常開通過程中柵極電荷值，導致HSF發生時柵極電壓GS大于正常開通過程[50]，柵極電壓檢測原理如圖12所示，因此通過檢測SiC MOSFET開通過程中柵極電壓可以間接檢測HSF[43, 51]。該方法優點是無檢測盲區。然而，SiC MOSFET的密勒電容較小，HSF發生時柵極電壓特征差異不明顯，采用該方法容易造成保護電路誤觸發。其次，FUL時SiC MOSFET柵極電壓已經為最大正向電壓，因此該方法不能對FUL進行檢測。

圖12 柵極電壓檢測原理

3.2 短路關斷策略

當檢測電路檢測到短路故障后應快速關斷SiC MOSFET。然而，快速的關斷勢必會引起較高的關斷過電壓，導致SiC MOSFET因過電壓而損壞。防止關斷過電壓的常用方法就是采用軟關斷技術[52-61]，常見短路軟關斷技術有兩種：

（1）大電阻關斷。大電阻關斷是在檢測到短路后，利用大阻值柵電阻來減緩關斷電流下降速率從而實現關斷過電壓的抑制[53-57]。然而，大電阻關斷在抑制關斷過電壓的同時也致使關斷延遲時間增大，導致SiC MOSFET不能及時關斷。為此，文獻[58-59]提出基于多級柵電阻的軟關斷策略，在關斷過程中采用不同柵極電阻關斷SiC MOSFET短路電流，從而兼顧了SiC MOSFET短路關斷過電壓與關斷延遲時間，但大電阻關斷可能導致SiC MOSFET因關斷損耗過大而發生失效。

（2）降柵壓關斷。降柵壓關斷是在檢測到短路后，先緩慢降低柵極電壓，使SiC MOSFET維持導通狀態。在較低柵極電壓下，SiC MOSFET漏極電流會被限制在較低水平，經過一定延遲后，再采用負壓關斷短路電流[60-61]。該方法通過緩降柵壓抑制短路電流，從而降低短路關斷過電壓，但是該方法需要多種柵極電壓，電路結構實現復雜。

4 結論

通過上述分析可知，SiC MOSFET高速開關特性以及現有工藝技術導致其短路承受能力較弱，而現有短路保護技術普遍存在響應速度慢、易誤觸發、電路復雜以及成本高等缺點，這些問題嚴重威脅SiC MOSFET的安全運行，阻礙SiC MOSFET的廣泛應用。因此，未來的挑戰與研究課題主要涉及以下幾個方面：

1）SiC MOSFET短路承受能力提升。柵極可靠性問題嚴重制約著SiC MOSFET為代表的寬禁帶半導體器件短路承受能力。隨著科學技術的發展，新的器件結構、新的制造工藝和新興材料的研發將是提升其柵極可靠性、改善短路承受能力的關鍵所在。

2）SiC MOSFET的短路檢測技術。相比于IGBT，SiC MOSFET開關速度更快，短路承受能力較弱，電磁干擾更嚴重。因此，現有短路檢測方法已不能滿足SiC MOSFET應用中短路檢測的技術需求，研發適用于SiC MOSFET的快速、可靠短路檢測技術將是未來研究方向之一。

3）SiC MOSFET短路關斷策略。SiC MOSFET短路承受能力弱，短路時需要快速關斷短路電流，而較快的電流變化很可能導致SiC MOSFET因過電壓擊穿而損壞。傳統短路軟關斷策略不能權衡關斷損耗和關斷過電壓之間關系，很可能造成SiC MOSFET在軟關斷過程中發生熱逃逸或柵極失效。因此，權衡關斷損耗和過電壓的SiC MOSFET短路關斷策略也將是未來研究課題之一。

[1] 盛況, 郭清, 張軍明, 等. 碳化硅電力電子器件在電力系統的應用展望[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(30): 1-7.

Sheng Kuang, Guo Qing, Zhang Junming, et al. Development and prospect of SiC power devices in power grid[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(30): 1-7.

[2] 吳海富, 張建忠, 趙進, 等. SiC MOSFET短路檢測與保護研究綜述[J]. 電工技術學報, 2019, 34(21): 4519-4528.

Wu Haifu, Zhang Jianzhong, Zhao Jin, et al. Review of short-circuit detection and protection of Silicon carbide MOSFETs[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2019, 34(21): 4519-4528.

[3] Yang Yuan, Wen Yang, Gao Yong. A novel active gate driver for improving switching performance of high-power SiC MOSFET modules[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2019, 34(8): 7775-7787.

[4] 周林, 李寒江, 解寶, 等. SiC MOSFET的saber建模及其在光伏并網逆變器中的應用和分析[J]. 電工技術學報, 2019, 34(20): 4251-4263.

Zhou Lin, Li Hanjiang, Xie Bao, et al. Saber modeling of SiC MOSFET and its application and analysis in photovoltaic grid-connected inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(20): 4251-4263.

[5] 邵偉華, 冉立, 曾正, 等. SiC MOSFET短路特性評估及其溫度依賴性模型[J]. 中國電機工程學報, 2018, 38(7): 2121-2131.

Shao Weihua, Ran Li, Zeng Zheng, et al. Short-circuit evaluation and temperature-dependent model of SiC MOSFET[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(7): 2121-2131.

[6] Wen Yang, Yang Yuan, Gao Yong. Active gate driver for improving current sharing performance of paral- leled high-power SiC MOSFET modules[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2021, 36(2): 1491-1505.

[7] 曾正. SiC功率器件的封裝測試與系統集成[M]. 北京: 科學出版社, 2020.

[8] An J, Namai M, Yano H, et al. Investigation of robustness capability of-730V p-channel vertical SiC power MOSFET for complementary inverter appli- cations[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2017, 64(10): 4219-4225.

[9] Fursin L, Li Xin, Li Zhi, et al. Reliability aspects of 1200V and 3300V Silicon carbide MOSFETs[C]// 2017 IEEE 5th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), Albuquerque, 2017: 373-377.

[10] Wang Zhiqiang, Shi Xiaojie, Leon M, et al. Temperature-dependent short-circuit capability of Silicon carbide power MOSFETs[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2016, 31(2): 1555-1566.

[11] Huang Xing, Wang Gangyao, Li Yingshuang, et al. Short-circuit capability of 1200V SiC MOSFET and JFET for fault protection[C]//2013 Twenty-Eighth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, 2013: 197-200.

[12] Wang Huai, Blaabjerg F. Power electronics reliability: state of the art and outlook[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2021, 9(6): 6476-6493.

[13] Yu Liangchun, Dunne G T, Matocha K S, et al. Reliability issues of SiC MOSFETs: a technology for high-temperature environments[J]. IEEE Transactions on Device & Materials Reliability, 2010, 10(4): 418-426.

[14] Dasgupta S, Kaplar R J, Marinella M J, et al. Analysis and prediction of stability in commercial, 1200V, 33A, 4H-SiC MOSFETs[C]//2012 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), Anaheim, 2012: 331-335.

[15] Kaplar R J, Marinella M J, Dasgupta S, et al. Characterization and reliability of SiC- and GaN- based power transistors for renewable energy applications[C]//2012 IEEE Energytech, Cleveland, 2012: 1-6.

[16] Brid M W, Aune R P, Thomas A F, et al. Temperature-dependent mechanical and long crack behavior of zirconium diboride-Silicon carbide com- posite[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2012, 32(12): 3453-3462.

[17] Nguten T, Ahmed A, Thang T V, et al. Gate oxide reliability issues of SiC MOSFETs under short-circuit operation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(5): 2445-2455.

[18] Romang G, Fayyaz A, Riccio M, et al. A com- prehensive study of short-circuit ruggedness of Silicon carbide power MOSFETs[J]. IEEE Journal of Emerging & Selected Topics in Power Electronics, 2016, 4(3): 978-987.

[19] Chbili Z, Matsuda A, Chbili J, et al. Modeling early breakdown failures of gate oxide in SiC Power MOSFETs[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2016, 63(9): 3605-3613.

[20] Boige F, Tremouilles D, Richardeau F. Physical origin of the gate current surge during short-circuit operation of SiC MOSFET[J]. IEEE Electron Device Letters, 2019, 40(5): 666-669.

[21] Knanle A, Baliga B J. Comparison of current suppression methods to enhance short-circuit capa- bility of 1.2kV SiC power MOSFETs: a new approach using a series-connected, gate-source-shorted si depletion-mode MOSFET vs use of a series resistance[C]//2019 IEEE 7th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA), Raleigh, 2019: 53-58.

[22] Kanala A, Baliga B J. A new user-configurable method to improve short-circuit ruggedness of 1.2kV SiC power MOSFETs[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(2): 2059-2067.

[23] Yao K, Yano H, Tadano H, et al. Investigations of SiC MOSFET short-circuit failure mechanisms using electrical, thermal, and mechanical stress analyses[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2020, 67(17): 4328-4334.

[24] Liu Jingcun, Zhang Guoqang, Wang Bixuan, et al. Gate failure physics of SiC MOSFETs under short-circuit stress[J]. IEEE Electron Device Letters, 2020, 41(1): 103-106.

[25] Wei Jiaxing, Liu Siyang, Yang Lanlan, et al. Com- prehensive analysis of electrical parameters degra- dations for SiC power MOSFETs under repetitive short-circuit stress[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2018, 34(3): 2771-2780.

[26] Wang Jun, Jiang Xi, Li Zongjian, et al. Short-circuit ruggedness and failure mechanisms of Si/SiC hybrid switch[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(3): 2771-2780.

[27] Sadik D P, Colmenares J, Tolstoy G, et al. Short- circuit protection circuits for Silicon-carbide power transistors[J]. IEEE Transactions on Industrial Elec- tronics, 2016, 63(4): 1995-2004.

[28] Du H, Reigosa P D, Ceccarelli L, et al. Impact of repetitive short-circuit tests on the normal operation of SiC MOSFETs considering case temperature influence[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, 8(1): 195-205.

[29] Romano G, Fayyaz A, Riccio M, et al. A com- prehensive study of short-circuit ruggedness of Silicon carbide power MOSFETs[J]. IEEE Journal of Emerging & Selected Topics in Power Electronics, 2016, 4(3): 978-987.

[30] Zhou Yuming, Liu Hangzhi, Mu Shilu, et al. Short-circuit failure model of SiC MOSFET including the interface trapped charges[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, 8(1): 90-98.

[31] Eni E P, Szymon B, Munk N S, et al. Short-circuit degradation of 10kV 10A SiC MOSFET[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(12): 9342-9354.

[32] Ji S, Laitinen M, Huang X, et al. Short-circuit characterization and protection of 10kV SiC MOSFET[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(2): 1755-1764.

[33] 魏昌俊. SiC MOSFET短路特性研究[D]. 北京: 華北電力大學, 2019.

[34] Wang Jun, Jiang Xi. Review and analysis of SiC MOSFETs' ruggedness and reliability[J]. IET Power Electronics, 2020, 13(3): 445-455.

[35] 楊媛, 文陽, 李國玉. 大功率IGBT模塊及驅動電路綜述[J]. 高電壓技術, 2018, 44(10): 3207-3220.

Yang Yuan, Wen Yang, Li Guoyu. Review on high- power IGBT module and drive circuit[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(10): 3207-3220.

[36] 張經緯, 張甜, 馮源, 等. SiC MOSFET串聯短路動態特性[J]. 電工技術學報, 2021, 36(12): 2446-2458.

Zhang Jingwei, Zhang Tian, Feng Yuan, et al. Dynamic characterization assessment on series short- circuit of SiC MOSFET[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 36(12): 2446-2458.

[37] 莊桂元, 張興, 劉威, 等. 帶飛跨電容的三電平拓撲中SiC MOSFET過電壓與過電流保護[J]. 電工技術學報, 2021, 36(2): 341-351.

Zhuang Guiyuan, Zhang Xing, Liu Wei, et al. Over- voltage and overcurrent protection of SiC MOSFET in three-level topology with flying capacitor[J]. Pro- ceedings of the CSEE, 2021, 36(2): 341-351.

[38] 康建龍, 辛振, 陳建良, 等. SiC MOSFET短路失效與退化機理研究綜述及展望[J]. 中國電機工程學報, 2021, 41(3): 1069-1084.

Kang Jianlong, Xin Zhen, Chen Jianliang, et al. Review and prospect of short-circuit failure and degradation mechanism of SiC MOSFET[J]. Pro- ceedings of the CSEE, 2021, 41(3): 1069-1084.

[39] Reigosa P D, Iannuzzo F, Luo H, et al. A short-circuit safe operation area identification criterion for SiC MOSFET power modules[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2017, 53(3): 2880-2887.

[40] Ji Shiqi, Laitinen M, Huang Xinghuan, et al. Short-circuit characterization and protection of 10kV SiC MOSFET[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 31(2): 1755-1764.

[41] Wei Jiaxing, Liu Siyang, Yang Lanlan, et al. Comprehensive analysis of electrical parameters degradations for SiC power MOSFETs under repetitive short-circuit stress[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2018, 65(12): 5440-5447.

[42] Baba S, Gieraltowski A, Jasinski M T, et al. Active power cycling test bench for SiC power MOSFETs- principles, design and implementation[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2020, 36(2): 2661-2675.

[43] 楊媛, 文陽. 大功率IGBT驅動與保護技術[M], 北京: 科學出版社, 2018.

[44] Maerz A, Bertelshofer T, HORFF R, et al. Require- ments of short-circuit detection methods and turn-off for wide band gap semiconductors[C]//CIPS 2016: 9th International Conference on Integrated Power Elec- tronics Systems, Nuremberg, Germany, 2016: 1-6.

[45] Wang Zhiqiang, Shi Xiaojie, Xue Yang, et al. Design and performance evaluation of overcurrent protection schemes for Silicon carbide (SiC) power MOSFETs[C]// 2013 IEEE Energy Conversion Congress and Expo- sition, Denver, 2013: 5418-5425.

[46] Sun Keyao, Wang Jun, Burgos R, et al. Design, analysis, and discussion of short circuit and overload gate-driver dual-protection scheme for 1.2kV, 400A SiC MOSFET modules[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 35(3): 3045-3068.

[47] Xue Ju, Xin Zhen, Wang Huai, et al. An improved d/d-RCD detection for short-circuit protection of SiC MOSFET[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 36(1): 12-17.

[48] Wang Jun, Shen Zhiyu, Dimarno C, et al. Gate driver design for 1.7kV SiC MOSFET module with rogowski current sensor for short-circuit protection[C]//2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, 2016: 516-523.

[49] Wang Jun, Shen Zhiyu, Burgos R, et al. Integrated switch current sensor for short-circuit protection and current control of 1.7kV SiC MOSFET modules[C]// 2016 IEEE Energy Conversion Congress and Expo- sition (ECCE), Milwaukee, 2017: 1-7.

[50] Wang Jun, Mocevic S, Burgos R, et al. High- scalability enhanced gate drivers for SiC MOSFET modules with transient immunity beyond 100V/ns[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(10): 10180-10199.

[51] Fink K, Volke A, Wei W, et al. Gate-driver with full protection for SiC-MOSFET modules[C]//PCIM Asia 2016, International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, Shanghai, 2016: 516-523.

[53] 盧其威, 高志宣, 滕尚甫, 等. 基于MOSFET的限流式固態斷路器及其過電壓抑制[J]. 電工技術學報, 2017, 32(24): 42-52.

Lu Qiwei, Gao Zhixuan, Teng Shangfu, et al. Current limiting solid state circuit breaker based on MOSEFT and its over voltage suppression[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(24): 42-52.

[54] Mainali K, Wang R, Sabate J, et al. Current sharing and overvoltage issues of paralleled SiC MOSFET modules[C]//2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Baltimore, 2019: 2413-2418.

[55] Kumar A, Parashar S, Sabri S, et al. Ruggedness of 6.5kV, 30A SiC MOSFETs in extreme transient conditions[C]//2018 IEEE 30th International Sympo- sium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Chicago, 2018: 423-426.

[56] Liao Xinglin, Li Hui, Yao Ran, et al. Voltage overshoot suppression for SiC MOSFET-based DC solid-state circuit breaker[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Tech- nology, 2019, 9(4): 649-660.

[57] 寧紅英, 孫旭霞, 楊媛. 一種基于dc/d反饋控制的大功率IGBT驅動保護方法[J]. 電工技術學報, 2015, 30(5): 33-41.

Ning Hongying, Sun Xuxia, Yang Yuan. A high- power IGBT drive protection method based on dc/dfeedback control[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2015, 30(5): 33-41.

[58] 方躍財. SiC MOSFET特性研究: 驅動、短路與保護[D]. 杭州: 浙江大學, 2018.

[59] 劉揚. SiC MOSFET短路特性及保護電路研究[D]. 西安: 西安理工大學, 2020.

[60] 黃先進, 蔣曉春, 葉斌, 等. 智能化IGBT驅動電路研究[J]. 電工技術學報, 2005, 20(4): 89-93.

Huang Xianjin, Jiang Xiaochun, Ye Bin, et al. Research on intelligent IGBT drive circuit[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2005, 20(4): 89-93.

[61] 楊冬平, 王莉, 江登宇, 等. 降柵壓技術在MOSFET驅動中的應用[J]. 電力系統及其自動化學報, 2010, 22(1): 1-4, 53.

Yang Dongping, Wang Li, Jiang Dengyu, et al. Application of drop gate voltage technology in MOSFET drive circuit[J]. Proceedings of the CUS- EPSA, 2010, 22(1): 1-4, 53.

Review on Short-Circuit Protection Technology of SiC MOSFET

11121

（1. College of Automation and Information Engineering Xi’an University of Technology Xi’an 710048 China 2. College of Technology Xi’an Siyuan University Xi’an 710038 China）

With the development of power electronics technology, SiC MOSFETs show significant advantages in power electronics applications of high frequency, high voltage and high temperature due to its excellent material properties. However, the high switching speed and poor short-circuit withstand capability of SiC MOSFETs bring new challenges to short-circuit protection technology. In this paper, different short-circuit fault types and testing methods of SiC MOSFETs are introduced firstly. Secondly, the short-circuit failure mode and mechanism of SiC MOSFET are analyzed. On this basis, the principle, advantages and disadvantages of the existing short-circuit detection and turn-off technology of SiC MOSFETs are summarized in detail, and the problems and challenges in the application of the current short-circuit protection technology of SiC MOSFETs are discussed. Finally, the development trend of SiC MOSFET short-circuit protection technology is prospected.

SiC MOSFET, short-circuit test, short-circuit failure, short-circuit protection

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211119

TM46

文 陽 男，1990年生，博士，講師，研究方向為寬禁帶半導體器件驅動保護技術、狀態感知與監測、失效分析及壽命預測。E-mail: wenyang@xaut.edu.cn

楊 媛 女，1974年生，教授，博士生導師，研究方向為電路與系統設計、寬禁帶半導體器件應用等。E-mail: yangyuan@xaut.edu.cn（通信作者）

2021-07-21

2021-08-11

國家自然基金項目（62174134）、陜西省教育廳專項科學研究計劃項目（21JK0791）和陜西省創新能力支撐計劃項目（2021TD-25）資助。

（編輯 陳 誠）