为确保碳化硅(SiC)功率器件在过载、短路等工况下能安全可靠地工作，必须充分认识SiC器件的短路机理。首先对SiC MOSFET硬开关短路故障下短路电流原理进行了分析，在此基础上对不同电路参数对短路特性的影响进行了对比分析，揭示了短路特性的关键影响因素，并对Si与SiC MOSFET短路能力和器件恶化机理进行了对比分析，从而为设计SiC MOSFET短路保护电路提供一定的指导。
与硅(Si)功率器件相比，碳化硅(Siliconcar-bide，SiC)功率器件具有更优电气特性和热特性，可大幅提高电力电子变换器的性能，在工业、高温高频和可再生能源发电等诸多场合中已获得初步应用。随着SiC工艺技术的日趋成熟，SiC功率器件有望取代传统的Si功率器件，在未来的电力电子变换器中获得更为广泛的应用与发展。目前，SiC MOSFET是商业化程度最高的SiC可控功率器件。但是，由于SiC MOSFET管芯面积小，电流密度大且短路能力较弱，因此对电路保护要求更高，给SiC基电力电子变换器的可靠性带来极大挑战，特别是在大功率场合，这一问题更加突出。因此，SiC MOSFET短路特性及其稳健性逐渐受到研究人员的关注，成为SiC MOSFET重要研究内容之一。
近些年，国内外诸多学者针对SiC功率器件的短路特性进行了研究。对SiC MOSFET的短路稳健性进行了研究，得出400V直流母线电压下SiC MOSFET短路承受时间约为30μs。在600V直流母线电压下分别对相同电压定额的两种SiC MOSFET的短路稳健性进行了研究，得出两者的短路承受时间分别为5μs和14μs。对不同直流母线电压下Si和的短路特性进行了对比和研究。但是，这些研究只针对不同直流母线电压的SiC MOSFET短路特性进行了研究，忽略了驱动回路参数的影响。另外，这些研究大多只是对实验现象的定性描述，缺乏进一步深入分析。因此，本文首先对SiC MOSFET短路机理进行了分析，在此基础上对不同电路参数对其短路特性的影响进行了对比和研究，揭示了短路特性的关键影响因素，并对器件短路能力及恶化机理进行了对比分析，为研究人员设计SiC MOSFET短路保护提供了一定的指导。
1、短路故障类型及测试电路
功率器件的短路故障类型可分为硬开关故障(Hardswitchingfault，HSF)和负载故障(Faultunderload，FUL)。硬开关故障是指在开关管开通时发生短路故障，即在开关管开通之前，负载已经短路，电源电压直接加在开关管两端。当开关管开通时，就会在电路中形成一个低阻抗回路，导致流过开关管的电流急剧上升。而负载故障是指在开关管完全导通时发生短路故障，即在发生短路故障之前，开关管导通，电路处于正常工作状态。当负载突然短路时，就会在电路中形成一个低阻抗回路，导致回路电流急剧上升。由于硬开关故障下，SiC MOSFET功率损耗更大，发热更严重，对器件的考验更为严峻，所以本文对SiC MOSFET的硬开关故障进行了原理分析。
图1为硬开关故障模式下SiC MOSFET短路特性测试原理图。UDC为可调直流电源，Rin为电源内阻，CB为断路器，UG为单脉冲驱动信号，Rg为驱动电阻，Cgs，Cgd和Cds为SiC MOSFET的寄生电容，Lg，Ld和Ls分别为包括器件外部引线和器件内部连线的栅极、漏极和源极的寄生电感。
2、SiC MOSFET短路原理分析
硬开关故障下SiC MOSFET短路原理波形如图2所示，可以分为4个工作模态。
模态1[t1～t2]：t1时刻之前，SiC MOSFET处于截止状态。此时，断路器CB闭合，直流母线电压UDC直接加在SiC MOSFET两端。t1时刻，开通。由于功率回路阻抗很小，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Lloop(Lloop＝Ld＋Ls)，在Lloop上产生一个与直流母线电压极性相反的电压ULloop，导致SiC MOSFET漏源极电压有所下降。ULloop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Uds又逐渐升高。t1～t2阶段内，SiC MOSFET沟道载流子迁移率具有正温度系数，故短路电流一直增大。但自身功率损耗很大，导致自发热，开关管结温快速升高。
模态2[t2～t3]：随着SiC MOSFET结温的升高，t2时刻SiC MOSFET沟道载流子迁移率开始降低，导致流过开关管的电流减小，di／dt为负。在这一阶段，SiC MOSFET沟道载流子迁移率具有负温度系数，可表示为
模态3[t3～t4]：随着结温的进一步升高，t3时刻，SiC MOSFET沟道载流子电流减小的速率小于热电离激发漏电流增大的速率，短路电流又逐渐变大，di／dt为正。
模态4[t4～]：t4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，此后会出现两种情况：(a)开关管安全可靠关断；(b)开关管栅极氧化层击穿，器件失控。
3、电路参数对短路特性的影响
影响SiC MOSFET短路特性的因素包括栅极驱动电路参数和直流母线电压。为了量化分析各电路参数对SiC MOSFET短路特性的影响，制作了短路测试平台，如图3所示。待测SiC MOSFET采用ROHM公司的SCH2080KE，其定额为1200V／35A。测试中直流电源采用Chroma公司62150H-600型可编程稳压直流电源。功率器件的电压和电流波形通过Tektronix公司的高压差分探头(P5201)、高频电流探头(TCP303)和电流探头放大器(TCPA300)测得。实验测试条件为：寄生电感L＝0.18μH，SiC MOSFET驱动电路负向驱动电压设定为－2V。
3.1、直流母线电压的影响
图4给出不同直流母线电压UDC下，栅源极电压Ugs，漏源极电压Uds和漏极电流id的短路测试波形。直流母线电压升高，短路电流上升速度更快，短路峰值电流也逐渐增大，同时栅源极电压Ugs下降时间变长，关断过压变化幅度较小。测试中短路脉宽设定为5μs，此时SiC MOSFET管芯内部结温并不高，沟道载流子迁移率具有正温度系数，di／dt为正，短路电流一直增大。
3．2、驱动电阻的影响
直流母线电压为550V，驱动电阻Rg分别取30，20，10和5Ω。图5给出不同驱动电阻下，栅源极电压Ugs，漏源极电压Uds和漏极电流id的短路测试波形。随着驱动电阻的减小，SiC MOSFET关断速度更快，漏源极电压和栅源极电压的振荡略有增大，而短路电流波形几乎没有变化，不同驱动电阻下的短路峰值电流保持不变，这是因为驱动电阻主要影响短路电流初期的上升速度，驱动电阻减小会加快短路电流初期的上升速度，但对短路电流波形和短路峰值电流几乎没有影响。
3.3、栅极驱动电压的影响
直流母线电压为550V，驱动电阻为30Ω，由于SCH2080KE型SiC MOSFET栅极正向电压极限值为＋22V，考虑一定的安全裕量，驱动电压分别取＋20，＋18和＋15V。图6给出不同栅极驱动电压下，栅源极电压Ugs，漏源极电压Uds和漏极电流id的短路测试波形。由图6可见，栅极驱动电压对SiC MOSFET短路电流影响比较明显。SiC MOSFET开通瞬间，随着栅极驱动电压的升高，短路电流上升速度越快，短路峰值电流越大。当栅极驱动电压为＋20V时，短路电流达到峰值后开始逐渐减小，即di／dt开始为负，这是由于短路峰值增大导致功率管损耗大大增加，SiC MOSFET内部结温进一步升高使沟道载流子迁移率降低。
3.4、电路参数影响的量化分析
为了进一步明确电路参数对短路特性的影响程度，对各电路参数与关断过压、短路峰值电流及短路能量的影响进行了量化分析。
(1)对关断过压的影响
图7给出关断过压ΔUds与各电路参数的关系曲线。直流母线电压升高，关断过压变化幅度较小，约为20V。驱动电阻越小，关断速度越快，di／压dt越在大回路，且寄驱生动电电感阻上R产g为生的5电Ω压时越，关高断，过即关压断约过是Rg为30Ω时关断过压的2倍。栅极驱动电压越高(低于20V)，短路电流越大，关断过压越大。由于栅极驱动电压的增大，SiC MOSFET沟道电阻减小，导致了短路电流峰值的增大。关断过压的增大是由于关断过程中di／dt的增大，与回路中寄生电感相互作用引起的感应电压增大。当栅极驱动电压达到20V时，关断过压减小，这是由于短路损耗增大，器件结温大大升高，SiC MOSFET沟道载流子迁移率减低，导致短路电流减小。同时，由于此时器件内部结温较高，SiC MOSFET开启电压降低，关断速度降低，所以过压减小。
(2)对短路峰值电流的影响
图8给出短路峰值电流id(peak)与各电路参数的关系曲线。短路峰值电流与直流母线电压正相关，驱动电阻对短路峰值电流几乎没有影响，但栅极驱动电压对短路峰值电流影响较大且电压越高，峰值电流越大，栅极驱动电压Ugs为20V时，短路峰值电流约为Ugs为15V时的2倍。此外，当栅极驱动电压较低时(如15V)，短路峰值电流与直流母线电压近似为线性关系，变化幅度较大。而当栅极驱动电压较高时(如20V)，随着直流母线电压升高，短路峰值电流增长幅度趋于平缓。
(3)对短路能量的影响
图9给出了短路能量Ec与各电路参数的关系图。显然，随着母线电压的升高，短路能量不断增大。而驱动电阻减小，短路能量略有增大。另外，由前述分析可知，栅极驱动电压对关断过压、短路峰值电流有很大的影响，故短路能量对栅极驱动电压较为敏感。栅极驱动电压Ugs为20V时，短路能量是Ugs为15V时的2倍左右。
由以上分析比较可知，栅极驱动电阻Rg对关断过压影响较大，而对短路峰值电流几乎没有影响；直流母线电压对短路峰值电流的影响较大，栅极驱动电压Ugs对关断过压和短路峰值电流的影响均较大。在设计短路保护电路时，往往采用“软关断”技术，即增大关断时的驱动电阻以降低开关管的关断速度，达到降低开关管电压应力的目的，但该方法并不能降低开关管的电流应力。另外，相比于栅极驱动电阻Rg，栅极驱动电压Ugs对关断过压和短路峰值电流的影响更为显著，若设计保护电路时采用“多电平关断”，既可以有效降低开关管的电压应力，又能大大减小开关管的短路电流应力，确保开关管可靠关断，但该方法增大了保护电路设计的复杂性。
4、短路能力及器件恶化分析
4．1、短路能力
为探究MOSFET的短路能力，分别对1200VSiC MOSFET(SCH2080KE)和SiMOSFET(IXFH12N120P)在不同脉宽下的短路特性进行了测试，测试波形如图10所示。
短路脉宽初始值设置为10μs，可以看出，短路电流先增大后减小，与前述分析一致。随着短路脉宽的进一步增大，关断时短路电流逐渐减小，但短路能量逐渐增大。当短路脉宽增大至15μs时，SiC MOSFET通态时的栅源极电压Ugs已略有下降，说明此时栅极漏电流增大，器件性能开始恶化；当短路脉宽进一步增大至17．5μs时，其通态时的栅源极电压Ugs下降幅度已增大至2V，同时在关断后，经12μs延时，栅源极电压Ugs变为0V，SiC MOSFET栅源极已经短路，器件损坏，此时应对的短路能量Ec为1．365J。而与之对应的SiMOSFET，在短路脉宽为17．5μs时，器件依然保持良好的性能，即使脉宽增大至60μs(短路能量Ec为2．403J)仍能有效地断开短路电流，同时栅源极未被击穿。
4.2、器件恶化分析
表1给出正常和损坏的SiC MOSFET各端子阻抗及体二极管正向压降测试数据。可见，母线电压为550V，短路脉宽为17．5μs时，SiC MOSFET栅源极氧化层被击穿，栅源极近似短路，此时为不可控器件，但是其漏源极阻抗依然很大，具有一定的阻断能力，同时体二极管正向压降几乎保持不变。
短路时，直流母线电压UDC直接加在MOSFET两端，由于MOSFET栅源极电压一般只有十几伏，故直流母线电压由反向偏置的PN结(漏源极寄生电容Cds)和MOS电容(栅漏极寄生电容Cgd)共同承担，图11给出功率MOSFET内部电场强度分布图。
由高斯定理可知，栅极氧化层中电场强度与其下方半导体材料电场强度满足
对于SiC／SiO2(或Si／SiO2)，εsemi／εoxide≈2．5，这意味着氧化层中电场强度是半导体中最大电场强度的2．5倍。SiO2的击穿场强为10MV／cm，为保证氧化层的长期稳定性，氧化层中电场强度一般应小于4MV／cm。对于SiMOSFET，由于Si的临界场强为0．3MV／cm，因此氧化层中的电场强度最大为0．75MV／cm，远小于4MV／cm。但对于SiC MOSFET，由于SiC的临界场强更高，其内部最大电场强度可达SiMOSFET的十几倍，使氧化层中电场强度很容易超过4MV／cm，不利于氧化层的长期稳定。同时，为获得期望的阈值电压，SiC MOSFET栅极氧化层厚度设计得更薄，势垒宽度更窄，根据Fowler-Nordheim沟道理论，当栅源极施加正向偏置电压时，反型层表面的电子会进入或穿过氧化层，进而产生沟道电流，即栅极漏电流。短路时，器件内部结温迅速升高使栅极漏电流大大增大。当该漏电流达到一定值就会导致氧化层电介质击穿，产生界面缺陷，最终导致器件恶化。
5、结论
本文对SiC MOSFET的短路特性进行了研究，将不同电路参数对短路特性的影响进行了对比分析，并对功率MOSFET短路能力及器件恶化机理进行了研究，得出以下结论：
1、栅极驱动电阻Rg对短路峰值电流和短路能量影响很小，而对关断过压影响较大。
2、直流母线电压对短路峰值电流和短路能量变化影响较大，而关断过压变化影响较小，约为20V。
3、栅极驱动电压对SiC MOSFET短路特性的影响最为显著。栅极驱动电压Ugs由15V增大至20V，SiC MOSFET短路峰值电流和短路能量约增大了两倍。设计短路保护电路时，为关断SiC MOSFET可适当降低栅极电平，这有益于SiC MOSFET安全关断，提高电路的可靠性。
4、由于SiC MOSFET阈值电压的要求及SiC材料的特殊性，SiC MOSFET的栅极稳定性更差，短路能力更弱。虽然随着工艺的进步，栅极氧化层稳定性有所提高，但快速有效的保护无疑是确保SiC MOSFET安全工作的最佳办法。
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