碳化硅功率器件已成為一種有前途的技術(shù)，因?yàn)槿藗儗?duì)降低能耗和在高開關(guān)頻率應(yīng)用下工作的興趣日益濃厚。碳化硅還可以承受高工作溫度，使其成為工業(yè)環(huán)境的理想選擇。寬帶隙半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)使工程師能夠設(shè)計(jì)電力電子系統(tǒng)以滿足特定的應(yīng)用要求。1除碳化硅外，氮化鎵也屬于寬帶隙類別。在設(shè)計(jì)任何電力系統(tǒng)之前需要考慮的一些主要因素是成本、效率、功率密度、復(fù)雜性和可靠性。
　　由于開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻低，SiC MOSFET 通常容易因短路事件而損壞。3安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院的一組研究人員介紹了兩種常用功率器件中 SiC 器件在短路事件中的故障模型：SiC MOSFET（Cree 的 N 溝道增強(qiáng)型 SiC MOSFET）和 SiC JFET（英飛凌的普通 SiC JFET）。
　　開發(fā)短路事件中 SiC 晶體管的故障模型　　在 Wang 等人提出的論文中，研究表明，在短路事件下，故障電流高于功率器件的額定電流。5這意味著漏電流是導(dǎo)致故障電流的原因之一，為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，使用了技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (TCAD) 模擬。SiC JFET 和 SiC MOSFET 的電流分量描述了兩個(gè) SiC 晶體管中的空穴電流密度。通過分析執(zhí)行文件，我們可以得出結(jié)論，高密度空穴電流流過晶體管的 N 漂移區(qū)和 P 基極區(qū)之間的 pn 結(jié)?！癟CAD 模擬還表明，對(duì)于 SiC MOSFET，高濃度載流子聚集在 JFET 區(qū)域的頂部；其中一小部分注入柵極氧化物并在高溫和高電場(chǎng)強(qiáng)度的應(yīng)力下形成柵極漏電流，”該團(tuán)隊(duì)解釋說。

　　發(fā)生故障（短路事件）之前 SiC JFET（上）和 SiC MOSFET（下）中空穴電流密度的分布
　　圖 1：故障前 SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）中的空穴電流密度分布
　　SiC JFET和 SiC MOSFET故障模型的示意圖是考慮到漏電流的引入而設(shè)計(jì)的。虛線框中的結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)電路模型的一部分，與通道電流 I CH并聯(lián)的附加電流分量 I DS_LK是晶體管 N 漂移區(qū)和 P 基區(qū)之間的 pn 結(jié)上的漏電流。在研究中，研究人員明確指出，由于沒有柵極上的電壓偏置來打開器件，因此不考慮 SiC JFET 的柵極漏電流。
　　　圖 2：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的故障模型
　　通過 pn 結(jié)的漏電流表達(dá)式由熱生成電流 I th、雪崩電流 I av和擴(kuò)散電流 I diff組成。然而，對(duì)于柵極氧化物中的漏電流，已經(jīng)提出了幾種方法，其中該團(tuán)隊(duì)考慮了 Fowler-Nordheim (FN) 隧穿和 Poole-Frenkel (PF) 發(fā)射。因此，電流 I FN和 I PF被認(rèn)為對(duì) SiC MOSFET 柵極氧化物的漏電流有貢獻(xiàn)?！　iC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）故障模型驗(yàn)證

　　圖 3：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）故障模型驗(yàn)證
　　對(duì)于 SiC MOSFET 的電路仿真，使用基于 Shichman-Hodges 物理模型的 SPICE Level 1 模型來描述三種模式——截止區(qū)、線性區(qū)和飽和區(qū)——而對(duì)于 SiC JFET，則使用 Shockley 物理模型。通常，在短路事件中，通道中的電荷載流子會(huì)受到更高電流應(yīng)力的影響，并且相對(duì)于正常開關(guān)狀態(tài)被加熱到更高的溫度。因此，通道載流子的精確遷移率模型對(duì)于了解載流子行為對(duì)晶體管短路性能的影響非常重要。
　　故障模型的驗(yàn)證
　　在短路故障情況下對(duì)所開發(fā)的 SiC JFET 和 SiC MOSFET 故障模型進(jìn)行了驗(yàn)證，圖中顯示了從模型中獲得的故障電流與本文結(jié)果的比較。6,7結(jié)果表明，在 400 V 直流電壓下，SiC JFET 的短路故障時(shí)間 (tSC) 為 150 μs，而在 600 V 直流電壓下，SiC MOSFET 的短路故障時(shí)間 (tSC) 為 13 μs。（編者注：圖 3 顯示參考文獻(xiàn) 24 和 25，在本文中視為參考文獻(xiàn) 6 和 7。）
　　“載流子遷移率依賴于溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度，這對(duì)于準(zhǔn)確開發(fā) SiC 功率器件的故障模型是必不可少的，”該團(tuán)隊(duì)指出。“此外，通過改變 I DS_LK的三個(gè)電流分量的組合模式，可以得出一個(gè)結(jié)論，即 I TH決定了所開發(fā)的模型是否能夠模擬器件的故障。因此，短路期間的熱生成電流決定了故障效應(yīng)?！薄　《搪肥录阅鼙容^示意圖

　　圖4：短路事件性能比較示意圖
　　短路故障情況下的驗(yàn)證示意圖如下，其中V DC為直流母線電壓，R S為電路環(huán)路的雜散電阻，R G為柵極電阻，DUT 為器件（SiC JFET 或 SiC MOSFET）。圖中演示了兩種故障模式，紅色曲線為第一種故障模式，藍(lán)色曲線為第二種故障模式。需要注意的一些參數(shù)是，SiC JFET 的故障時(shí)間比 SiC MOSFET 的故障時(shí)間長(zhǎng)得多，SiC JFET 的飽和電流低于 SiC MOSFET。這些變化的原因是載流子遷移率系數(shù)與溫度有關(guān)?！　iC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的兩種故障模式

　　圖 5：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）的兩種故障模式
　　“對(duì)于即時(shí)故障，SiC JFET 表現(xiàn)出比 SiC MOSFET 更好的短路容量，并且 SiC JFET 的故障時(shí)間和臨界故障能量都高于 SiC MOSFET，”該團(tuán)隊(duì)總結(jié)道。“對(duì)于延遲故障，在較低的直流母線電壓下，SiC JFET 的故障時(shí)間比 SiC MOSFET 長(zhǎng)得多；然而，對(duì)于較高的直流母線電壓，兩個(gè) SiC 晶體管的故障時(shí)間差異似乎很小?！?br>