（清華大學(xué)電機(jī)系，北京 100084）

隨著寬禁帶器件研究的逐步發(fā)展，基于SiC尤其是SiC MOSFET的電力電子器件，正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于SiC材料本身具有更高的禁帶寬度，擊穿場(chǎng)強(qiáng)和熱導(dǎo)系數(shù)，SiC基器件相對(duì)Si基器件在通態(tài)損耗、開(kāi)關(guān)速度、工作溫度等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，可以滿足更廣泛的應(yīng)用需求[1-2]。其中，在極端溫度下的應(yīng)用已成為SiC MOSFET的重要研究方向，而對(duì)SiC MOSFET溫度特性的研究就顯得尤為重要。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者都對(duì)SiC MOS?FET的溫度特性進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)主要有文獻(xiàn)[3]針 對(duì) 1 200 V∕36 A 單 管 SiC MOSFET 在 25～150℃溫度條件下對(duì)開(kāi)關(guān)延時(shí)、開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行了測(cè)定。文獻(xiàn)[4]對(duì)1 200 V∕40 A單管SiC MOSFET的閾值電壓、跨導(dǎo)、通態(tài)電阻等靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)試溫度條件為25～150℃。國(guó)外文獻(xiàn)中的研究相對(duì)更加完備。文獻(xiàn)[5]對(duì)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行了綜合測(cè)量，測(cè)試溫度達(dá)到200℃。文獻(xiàn)[6-7]則對(duì)低溫下的參數(shù)也進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試溫度條件為-100～200℃，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[8-9]在改變溫度的同時(shí)，對(duì)門極電阻、負(fù)載電流都進(jìn)行了不同工況下的動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)對(duì)比，并在實(shí)際的DC-DC變換器中也進(jìn)行了測(cè)試。

已有的工作對(duì)高低溫環(huán)境下的動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)都有了完備的測(cè)試結(jié)果，但之前的工作大多采用單管進(jìn)行測(cè)試，負(fù)載電流都沒(méi)有超過(guò)50 A。但實(shí)際中，大功率模塊的電流遠(yuǎn)不止50 A，以CREE的CAS300M12BM2半橋模塊為例，其標(biāo)準(zhǔn)為1 200 V∕300 A。而在模塊大電流的工況下，溫度特性尤其是暫態(tài)特性的相關(guān)工作做的還不夠。除此之外，先前實(shí)驗(yàn)中，以高溫為例，多采用熱盤對(duì)SiC MOSFET加熱的方式，只有SiC MOSFET的殼體與熱盤接觸時(shí)，測(cè)試環(huán)境才相對(duì)開(kāi)放。而實(shí)際的控制器中，驅(qū)動(dòng)板等外圍電路與功率器件共同存在于密閉殼體中，這樣的測(cè)試和實(shí)際工況有一定的差距。

針對(duì)以上兩點(diǎn)問(wèn)題，本文選用CREE公司的1 200 V∕300 A半橋模塊CAS300M12BM進(jìn)行測(cè)試，將整個(gè)雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括驅(qū)動(dòng)板，置于密閉溫箱內(nèi)，在不同溫度下進(jìn)行了電流等級(jí)較高的雙脈沖測(cè)試，記錄不同溫度下暫態(tài)特性。

1 理論分析與測(cè)試方法

1.1 暫態(tài)溫度特性的理論分析

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試前，對(duì)SiC MOSFET暫態(tài)過(guò)程中的主要參數(shù)隨溫度變化的特性在理論上給出分析。首先，溫度變化直接影響的是載流子的本征激發(fā)，具體來(lái)講，隨溫度增加，本征載流子的濃度會(huì)逐漸增大，而本征載流子影響閾值電壓的變化。閾值電壓Vth的表達(dá)式為

式中：εs為相對(duì)介電常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；NA為摻雜濃度；ni為本征載流子濃度；Cox為氧化層電容；q為單位電荷量。

由式（1）可知，隨著溫度升高和本征載流子濃度的增大，SiC MOSFET的閾值電壓會(huì)隨之降低。這一結(jié)論在文獻(xiàn)[6]中給出實(shí)驗(yàn)證明。

溫度的變化除了影響本征載流子濃度之外，還對(duì)電子遷移率有影響。文獻(xiàn)[10]中指出，在600 K以下，溫度升高，界面態(tài)散射遷移率增加，反型溝道電子遷移率μni增加。SiC MOSFET中，跨導(dǎo)Gm代表柵極電壓對(duì)漏極電流的控制能力，與反型溝道電子遷移率有關(guān)，其表達(dá)式為

式中：Z為溝道寬度；μni為反型溝道電子遷移率；LCH為溝道長(zhǎng)度；VGS為柵極電壓。

由式（2）可知，隨溫度升高，反型溝道電子遷移率增大，跨導(dǎo)隨之增大?？鐚?dǎo)對(duì)于暫態(tài)特性的影響，直接體現(xiàn)在米勒電壓上，表達(dá)式為

式中：Vplate為米勒平臺(tái)電壓；IL為負(fù)載電流，感性負(fù)載下可視為不變。

綜合式（1）～式（3）的理論分析，溫度升高，閾值電壓降低，米勒平臺(tái)電壓降低。這兩個(gè)參數(shù)直接影響開(kāi)通和關(guān)斷速度。以開(kāi)通過(guò)程電壓下降時(shí)間tvf和關(guān)斷過(guò)程電壓上升時(shí)間tvr為例，表達(dá)式為

式中：Qgd為開(kāi)通過(guò)程中對(duì)米勒電容的充電電荷；Rg為門極電阻；Vdriveon為正向驅(qū)動(dòng)電壓，對(duì)SiC MOSFET一般為20 V；Vdriveoff為負(fù)向驅(qū)動(dòng)電壓，一般為-5 V；Ciss為輸入電容。

由式（4）可知，溫度升高，Vplate降低，開(kāi)通過(guò)程中電壓下降時(shí)間減小，而Vth也降低，故關(guān)斷過(guò)程中電壓上升時(shí)間的變化難以給出定性分析。

1.2 平臺(tái)搭建與測(cè)試方法

對(duì)半橋模塊通過(guò)雙脈沖實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定其在不同溫度下的動(dòng)態(tài)參數(shù)特性。雙脈沖實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示。半橋模塊的上橋臂始終保持負(fù)壓關(guān)斷，等效為反并聯(lián)二極管，下橋臂加雙脈沖信號(hào)。

圖1 雙脈沖實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic of double pulse test

基于圖1中的雙脈沖原理圖搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，包括功率回路、驅(qū)動(dòng)回路和測(cè)試環(huán)節(jié)3部分。功率回路半橋模塊選型為1 200 V∕3 00 A模塊CAS300M12BM2；負(fù)載電感為150 μH空心電感，以防止大電流下引起飽和；直流母線電壓為400 V，并聯(lián)4 700 μF電解電容提供瞬時(shí)電流，緊鄰模塊并聯(lián)100 μF薄膜電容濾波穩(wěn)壓。驅(qū)動(dòng)回路選用Si8285作為隔離芯片，選用ZXGD3006作為柵極驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)DSP產(chǎn)生雙脈沖信號(hào)。測(cè)試部分示波器型號(hào)為MDO3024，帶寬200 MHz；電壓探頭型號(hào)為TektronixP5205，帶寬100 MHz；電流測(cè)量采用羅氏線圈CWT∕UM∕1∕B，帶寬30 MHz，量程300 A。雙脈沖測(cè)試平臺(tái)實(shí)驗(yàn)電路圖如圖2所示。

圖2 雙脈沖測(cè)試實(shí)驗(yàn)電路Fig.2 Experiment circuit for double pulse test

為盡可能達(dá)到接近實(shí)際工況下的測(cè)試效果，將功率模塊、驅(qū)動(dòng)板、負(fù)載電感、母線電容均置于溫箱內(nèi)部；DSP以及示波器等置于溫箱外。測(cè)試條件為：母線電壓400 V，考慮模塊通流能力和羅氏線圈量程，負(fù)載電流為50～150 A，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)環(huán)境溫度為-20～60℃。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程保持母線電壓為400 V不變，調(diào)整雙脈沖第1個(gè)脈沖的寬度來(lái)控制負(fù)載電流，實(shí)驗(yàn)中電流取值分別為50 A，100 A，150 A，對(duì)應(yīng)脈寬分別為18 μs，36 μs，54 μs。第二脈寬設(shè)為4 μs，兩脈寬之間間隔為4 μs，以保證開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程電流基本不變。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在-20℃，0℃，20℃，40℃，60℃的環(huán)境溫度下依次進(jìn)行50～150 A 3個(gè)電流等級(jí)的雙脈沖測(cè)試。給出測(cè)試波形，并對(duì)其中的開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗以及電流電壓過(guò)沖、電應(yīng)力等主要的暫態(tài)參數(shù)在不同溫度下進(jìn)行對(duì)比分析。

首先，圖3、圖4以150 A電流等級(jí)為例，給出了-20℃，20℃，60℃3個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)下所得的開(kāi)關(guān)波形。對(duì)圖3、圖4進(jìn)行定性分析，得出如下結(jié)論：在150 A電流等級(jí)下，隨著溫度的升高，開(kāi)通過(guò)程加快，而關(guān)斷過(guò)程變慢，并且在50 A和100 A電流等級(jí)下有相同結(jié)論。為給出更具體的定量分析結(jié)果，從開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗，以及電壓、電流變化率3個(gè)角度給出具體的參數(shù)變化。

圖3 不同溫度下開(kāi)通波形Fig.3 Turn-on waveforms at different temperatures

圖4 不同溫度下關(guān)斷波形Fig.4 Turn-off waveforms at different temperatures

2.1 開(kāi)關(guān)時(shí)間的溫度特性

首先對(duì)不同溫度下開(kāi)關(guān)過(guò)程的時(shí)間進(jìn)行測(cè)定，以IEC60747-8中給出的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定時(shí)間tdon，tdoff，tr，tf為例，不同溫度下的開(kāi)關(guān)時(shí)間測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫度下的開(kāi)關(guān)時(shí)間Tab.1 Switching times at different temperatures

表1中將延遲時(shí)間和上升、下降時(shí)間分別測(cè)算。隨溫度升高，開(kāi)通延遲時(shí)間tdon和上升時(shí)間tr呈下降趨勢(shì)。關(guān)斷延遲時(shí)間tdoff呈迅速上升趨勢(shì)，下降時(shí)間tf則基本保持不變。這與1.1節(jié)中對(duì)上升和下降時(shí)間給出的理論分析結(jié)果相吻合。

為給出更直觀的分析結(jié)果，將開(kāi)通、關(guān)斷總時(shí)間ton，toff實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總?cè)鐖D5所示，其中，ton=tdon+tr，toff=tdoff+tf。從圖 5 中可見(jiàn)，隨溫度升高，關(guān)斷總時(shí)間從550 ns上升到617 ns。開(kāi)通總時(shí)間從258 ns下降到223 ns。從變化絕對(duì)值的角度來(lái)看，關(guān)斷時(shí)間相對(duì)開(kāi)通時(shí)間有更高的溫度敏感性，并且這一敏感性主要體現(xiàn)在關(guān)斷延遲時(shí)間上。

圖5 不同溫度下開(kāi)關(guān)總時(shí)間Fig.5 Total switching times at different temperatures

2.2 開(kāi)關(guān)損耗的溫度特性

開(kāi)關(guān)損耗作為直接影響效率的關(guān)鍵因素，其溫度特性具有重要意義。以150 A負(fù)載電流為例進(jìn)行損耗測(cè)算，如圖6所示。

圖6 150 A負(fù)載電流下開(kāi)關(guān)損耗Fig.6 Switching losses with the load current of 150 A

由圖6可知，在150 A負(fù)載電流等級(jí)下，溫度從-20℃上升到60℃，開(kāi)通損耗從3.15 mJ下降至2.49 mJ，呈明顯下降趨勢(shì)；關(guān)斷損耗從4.04 mJ上升至4.22 mJ，呈緩慢上升趨勢(shì)；由于開(kāi)通損耗的降低幅度更大，總損耗從7.19 mJ下降到6.71 mJ，呈略微下降趨勢(shì)。

為表現(xiàn)不同電流等級(jí)下的溫度特性變化，繪制50 A和100 A下的開(kāi)關(guān)損耗如圖7、圖8所示。表現(xiàn)出的特性類似，溫度升高，開(kāi)通損耗減小、關(guān)斷損耗增加，但增加幅度較小，總損耗略有減小。隨著負(fù)載電流的增大，損耗增加，特別的，關(guān)斷損耗對(duì)電流等級(jí)的敏感性大于開(kāi)通損耗。因此50 A下開(kāi)通損耗較大，150 A下關(guān)斷損耗較大。

圖7 50 A負(fù)載電流下開(kāi)關(guān)損耗Fig.7 Switching losses with the load current of 50 A

圖8 100 A負(fù)載電流下開(kāi)關(guān)損耗Fig.8 Switching losses with the load current of 100 A

2.3 電應(yīng)力和電壓、電流過(guò)沖的溫度特性

除去最直觀的開(kāi)關(guān)速度和損耗之外，開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓變化率 dv∕dt、電流變化率 di∕dt以及其導(dǎo)致的電壓、電流尖峰也是影響驅(qū)動(dòng)性能的重要參數(shù)?？紤]到測(cè)量精度，以150 A負(fù)載下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例進(jìn)行測(cè)量，以開(kāi)關(guān)過(guò)程中的平均電應(yīng)力作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，di∕dt和 dv∕dt數(shù)據(jù)處理所得結(jié)果如圖9所示。

圖9 開(kāi)關(guān)過(guò)程中的di∕dt和 dv∕dtFig.9 di∕dt and dv∕dt of turn-on and turn-off process

由圖9可知，在150 A電流等級(jí)下，隨著溫度從-20℃上升至60℃，開(kāi)通過(guò)程中電流變化率從1.93 kA∕μs上升至2.37 kA∕μs，電壓變化率從4.08 kV∕μs上升至6.25 kV∕μs；關(guān)斷過(guò)程電流變化率從2.27 kA∕μs下降至2.13 kA∕μs，電壓變化率從3.22 kV∕μs 下降至 3.02 kV∕μs。隨著溫度升高，開(kāi)通過(guò)程電應(yīng)力迅速增大，關(guān)斷過(guò)程電應(yīng)力有所下降。這與上文中溫度升高，開(kāi)通過(guò)程迅速加快，關(guān)斷過(guò)程略有減緩的結(jié)論相對(duì)應(yīng)。

在電應(yīng)力測(cè)定的基礎(chǔ)上，對(duì)150 A開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程電壓、電流尖峰在不同溫度下進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。結(jié)果以比例形式呈現(xiàn)，基準(zhǔn)值為負(fù)載電流150 A，母線電壓400 V。

表2 150 A電流負(fù)載不同溫度下的電壓、電流過(guò)沖比Tab.2 Overshoot voltage and current at different temperatures with the load current of 150 A

從表2中可見(jiàn)，溫度升高，電壓過(guò)沖略有減小，電流過(guò)沖則呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)。通過(guò)電應(yīng)力分析可知，開(kāi)通過(guò)程的電應(yīng)力隨溫度升高快速增大，關(guān)斷過(guò)程的電應(yīng)力隨溫度升高逐漸減小。對(duì)應(yīng)的，隨溫度升高，開(kāi)通過(guò)程中的電流過(guò)沖呈現(xiàn)明顯增大的趨勢(shì)，而關(guān)斷過(guò)程中的電壓過(guò)沖則略有減小。由于電流過(guò)沖較大，實(shí)驗(yàn)負(fù)載電流設(shè)定值僅增大到150 A。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)研究了SiC MOSFET功率模塊在50～150 A電流、-20～60℃溫度下的暫態(tài)溫度特性。在理論分析的基礎(chǔ)上通過(guò)雙脈沖實(shí)驗(yàn)測(cè)定開(kāi)關(guān)波形，對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程中的時(shí)間、損耗、電應(yīng)力、及電壓、電流過(guò)沖等參數(shù)進(jìn)行定量分析，得出大電流下暫態(tài)參數(shù)的溫度特性規(guī)律：1）溫度升高，開(kāi)通延遲時(shí)間和上升時(shí)間呈下降趨勢(shì)；關(guān)斷延遲時(shí)間呈迅速上升趨勢(shì)，下降時(shí)間基本保持不變。2）溫度升高，開(kāi)通損耗下降，關(guān)斷損耗略有上升，總體損耗呈略微下降趨勢(shì)。3）溫度升高，開(kāi)通過(guò)程電壓、電流變化率迅速增加，關(guān)斷過(guò)程中的電應(yīng)力略有下降。對(duì)應(yīng)的，電流過(guò)沖迅速增大，電壓過(guò)沖略有減小。

以上是對(duì)大電流等級(jí)下暫態(tài)參數(shù)的溫度特性分析，對(duì)特殊溫度下SiC MOSFET的應(yīng)用選型和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有重要的實(shí)際意義和參考價(jià)值。例如，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫環(huán)境下，關(guān)斷速度會(huì)降低。則可考慮采用負(fù)溫度系數(shù)的門極電阻等方案，加速高溫環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)過(guò)程，以保證驅(qū)動(dòng)性能的穩(wěn)定的溫度特性。

另外，驅(qū)動(dòng)板整體置于溫箱內(nèi)，使得實(shí)驗(yàn)的溫度范圍還不夠?qū)挿?，后續(xù)工作將圍繞高溫驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)和更寬范圍的溫度測(cè)試展開(kāi)。