碳化硅功率器件已成為一種有前途的技術(shù)，因為人們對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，為了驗證這一點，使用了技術(shù)計算機輔助設(shè)計 (TCAD) 模擬。SiC JFET 和 SiC MOSFET 的電流分量描述了兩個 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)。“TCAD 模擬還表明，對于 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強度的應(yīng)力下形成柵極漏電流，”該團隊解釋說。

　　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)的漏電流表達式由熱生成電流 I th、雪崩電流 I av和擴散電流 I diff組成。然而，對于柵極氧化物中的漏電流，已經(jīng)提出了幾種方法，其中該團隊考慮了 Fowler-Nordheim (FN) 隧穿和 Poole-Frenkel (PF) 發(fā)射。因此，電流 I FN和 I PF被認為對 SiC MOSFET 柵極氧化物的漏電流有貢獻?！　iC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）故障模型驗證

　　圖 3：SiC JFET（左）和 SiC MOSFET（右）故障模型驗證
　　對于 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受到更高電流應(yīng)力的影響，并且相對于正常開關(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于了解載流子行為對晶體管短路性能的影響非常重要。
　　故障模型的驗證
　　在短路故障情況下對所開發(fā)的 SiC JFET 和 SiC MOSFET 故障模型進行了驗證，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 的短路故障時間 (tSC) 為 150 μs，而在 600 V 直流電壓下，SiC MOSFET 的短路故障時間 (tSC) 為 13 μs。（編者注：圖 3 顯示參考文獻 24 和 25，在本文中視為參考文獻 6 和 7。）
　　“載流子遷移率依賴于溫度和電場強度，這對于準確開發(fā) SiC 功率器件的故障模型是必不可少的，”該團隊指出?！按送?，通過改變 I DS_LK的三個電流分量的組合模式，可以得出一個結(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)。”　　短路事件性能比較示意圖

　　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 的故障時間比 SiC MOSFET 的故障時間長得多，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
　　“對于即時故障，SiC JFET 表現(xiàn)出比 SiC MOSFET 更好的短路容量，并且 SiC JFET 的故障時間和臨界故障能量都高于 SiC MOSFET，”該團隊總結(jié)道。“對于延遲故障，在較低的直流母線電壓下，SiC JFET 的故障時間比 SiC MOSFET 長得多；然而，對于較高的直流母線電壓，兩個 SiC 晶體管的故障時間差異似乎很小。”