2022年5月電工技術學報TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYMayNo20222!CnO2EEL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7100482.西安思源學院工學院西安710038)摘要隨著電力電子技術的飛速發展，SiCMOSFET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，SiCMOSFET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SiCMOSFET不同短路類型以及短路測試方法；其次對SiCMOSFET短路失效模式及失效機理進行分析；然后詳細梳理現有SiCMOSFET短路檢測與短路關斷技術的原理與優缺點，討論現有SiCMOSFET短路保護技術在應用中存在的問題與挑戰；最后對SiCMOSFET短路保護技術的發展趨勢進行展望。關鍵詞：SiCMOSFET短路測試短路失效短路保護WenYang1YangYuan1NingHongying1ZhangYu2GaoYong1(1.CollegeofAutomationandInformationEngineeringXi’anUniversityofTechnologyXi’an710048China2.CollegeofTechnologyXi’anSiyuanUniversityXi’an710038China)Vpz$L$c$Withthedevelopmentofpowerelectronicstechnology,SiCMOSFETsshowsignificantadvantagesinpowerelectronicsapplicationsofhighfrequency,highvoltageandhightemperatureduetoitsexcellentmaterialproperties.However,thehighswitchingspeedandpoorshort-circuitwithstandcapabilityofSiCMOSFETsbringnewchallengestoshort-circuitprotectiontechnology.Inthispaper,differentshort-circuitfaulttypesandtestingmethodsofSiCMOSFETsareintroducedfirstly.Secondly,theshort-circuitfailuremodeandmechanismofSiCMOSFETareanalyzed.Onthisbasis,theprinciple,advantagesanddisadvantagesoftheexistingshort-circuitdetectionandturn-offtechnologyofSiCMOSFETsaresummarizedindetail,andtheproblemsandchallengesintheapplicationofthecurrentshort-circuitprotectiontechnologyofSiCMOSFETsarediscussed.Finally,thedevelopmenttrendofSiCMOSFETshort-circuitprotectiontechnologyisprospected.YG入從oLqz：SiCMOSFET,short-circuittest,short-circuitfailure,short-circuitprotection0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。收稿日期2021-07-21改稿日期2021-08-11備高效、高功率密度等新的發展需求[1-4]。碳化硅 (SiliconCarbide,SiC)金屬-氧化物半導體場效應晶MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor,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]。文2539文2539然而，短路故障是導致SiCMOSFET失效的重要原因之一，嚴重阻礙其應用[4-6]。盡管SiCMOSFET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，SiCMOSFET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，SiCMOSFET芯片面積小、電流密度高，這就導致SiCMOSFET33ASiCMOSFET進行硬短路測試，被測器件在約13μs后失效損壞，然而在短路發生約5μs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，SiCMOSFET通道遷移率的正溫度系數高達600K，這就導致SiCMOSFET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，SiCMOSFET較弱的界面質量會帶來柵極氧化層可靠性問題，對SiCMOSFET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SiCMOSFET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SiCMOSFET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，SiCMOSFET的結電容更小、開關速度更高。SiCMOSFET獨特的正溫度系數跨導導致其開通時的dI/dt和dV/dt隨著結溫的升高均增大[19]。在較高的dI/dt和dV/dt條件下，SiCMOSFET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，SiCMOSFET短路保護難度大，短路時SiCMOSFET芯片更易受損。為了解決這一問題，國內外學者在SiCMOSFET短路保護方面做了很多工作，主要涵蓋SiCMOSFET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SiCMOSFET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SiCMOSFET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，短路的類型與特征表1短路的類型與特征Tab.1Typeandcharacteristicsofshort-circuit類型位置原因特征一類短路橋臂直通硬件失效、軟件故障回路電感量較小(nH級)二類短路相間短路相間短路、對地短路回路電感量較大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(HardSwitchingFault,HSF)與負載故障(FaultUnderLoad,FUL)兩類。圖1所示為SiCMOSFET短路故障典型波形。可以看出，HSF發生時刻在SiCMOSFET開通瞬間，如圖1a所示。當HSF發生時，漏極電流ID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VDS小幅下降后又穩定在母線電壓；FUL發生在SiCMOSFET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，SiCMOSFET兩端電壓也隨之上升至母線電壓。不論是HSF還是FUL發生時，SiCMOSFET都承受著巨大的短路能量。由于SiCMOSFET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SiCMOSFET[20]。(a)HSF(b)FUL圖1功率器件短路故障典型波形Fig.1Typicalshort-circuitwaveformsofpowersemiconductor1.2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SiCMOSFET(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SiCMOSFET，2022年5月2540電工技2022年5月2540表2SiCMOSFET短路測試方法對比Tab.2ComparisonofSiCMOSFETshort-circuittests類型優缺點適用場合基于雙脈沖測試的短路測試方法基于非線性元件的無損短路測試方法優點：模擬真實短路工況缺點：易對被測器件造成損壞優點：有效保護被測器件缺點：不能真實反映短路工況適用于短路保護電路性能測試適用于器件短路性能測試(a)基于雙脈沖測試的短路測試方法(b)基于非線性元件的無損短路測試方法圖2不同的SiCMOSFET短路測試方法Fig.2Differentshort-circuittestmethodsforSiCMOSFET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SiCMOSFET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LFault接入功率回路，就可以實現FUL。(2)基于非線性元件的無損短路測試方法。不同的SiCMOSFET短路測試方法如圖2所示。該方法是在被測SiCMOSFET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SiCMOSFET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，短路電流就會被基于雙脈沖測試的短路測試方法可以真實地模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SiCMOSFET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SiCMOSFET造成損壞，所以該方法主要用于SiCMOSFET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SiCMOSFET，避免嚴重損壞。為觀測SiCMOSFET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。2SiCMOSFET短路失效模式與機理目前，SiCMOSFET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3SiCMOSFET短路失效模式對比Tab.3ComparisonofSiCMOSFETshort-circuitfailuremode失效類型失效條件失效原因失效特征柵-源極失效較低短路量高溫熔化的源極鋁金屬散入柵極氧化層出現的裂紋中致使柵-源短路柵-源極阻抗下降熱逃逸失效較高短路量短路高溫和泄漏電流激活了內部寄生BJT致使漏-源極電流失控器件短路性能測試2.1柵-源極失效圖3為SiCMOSFET(DF23MR12W1M1)在母線電壓Vdc=400V、柵-源極電壓Vgs=20V時的短路測試波形。在短路持續16μs后關斷SiCMOSFET，關斷后的SiCMOSFET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SiCMOSFET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]，SiCMOSFET柵-源極失效后的芯。第37卷第10期文陽等SiCMOSFET短路保護技術綜述2541圖3SiCMOSFET短路波形(Vdc=400V、Vgs=20V)Fig.3Short-circuittestwaveformsofSiCMOSFET(Vdc=400V,Vgs=20V)(a)芯片表面(b)芯片橫截面圖4SiCMOSFET柵-源極失效后的芯片Fig.4PhotosoftheSiCMOSFET’chipaftergatefailure研究表明，較大的短路電流導致器件結溫迅速升高，而SiCMOSFET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SiCMOSFET柵極與源極短路，使其呈現低阻特性[27-28]。因此，SiCMOSFET柵-源極失效是高溫和熱應力的共同作用結果。由于SiMOSFET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iCGaN2.2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SiCMOSFET (DF23MR12W1M1)在母線電壓800V、柵-源極電壓20V時的短路測試波形。可以看到，在短路出現不到5μs時發生了熱逃逸失效，短路電流失去控制持續上升，直至SiCMOSFET燒毀。熱逃逸發生前，圖5SiCMOSFET短路測試波形(Vdc=800V、Vgs=20V)Fig.5Short-circuittestwaveformsofSiCMOSFET(Vdc=800V,Vgs=20V)SiCMOSFET柵-源極電壓出現了下降，說明柵-源極阻抗已經下降。SiCMOSFET熱逃逸失效與短路關斷過程中產生的漏極泄漏電流有很大關系。當短路時間達到一定程度時，SiCMOSFET就會出現漏極泄漏電流，且隨著短路時間的增加，泄漏電流愈加明顯[30-31]。當短路時間小于SiCMOSFET短路耐受時間時，即使在關斷時出現泄漏電流，泄露電流也會逐漸降低，SiCMOSFET不會發生熱逃逸，但當短路時間大于等于短路耐受時間時，就會觸發熱逃逸。研究表明，SiCMOSFET熱逃逸的原因是短路高溫和泄漏電流激活了內部寄生雙極結型晶體管致使漏-源極電流失控[32-34]。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SiCMOSFET柵-發生熱逃逸失效。SiCMOSFET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。3SiCMOSFET短路保護技術SiCMOSFET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SiCMOSFET短路保護帶來了巨大挑戰[35]。為了確保SiCMOSFET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SiCMOSFET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，SiCMOSFET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(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT短路保護中，但在SiCMOSFET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SiCMOSFET導通時，當A點電壓VA上升超過閾值Vth1時，比較器翻轉發出故障信號關斷器件。在SiC至低電平，檢測電路被屏蔽。該檢測電路工作原理2022年5月2542電工技2022年5月2542表4SiCMOSFET短路檢測方法Tab.4Short-circuitdetectionmethodofSiCMOSFET短路檢測方法優勢劣勢退飽和檢測二極管式[35-41]簡單、成本低存在盲區、易誤觸發寄生電感電壓檢測di/dt檢測[41]電流評估法[45]兩級RC型電流評估法[46]RCD型電流評估法[47]無盲區無盲區、可靠無盲區、可靠無盲區、可靠HSF易誤觸發FUL電流峰值較高成本高FUL電流峰值較高電流傳感器霍爾器件[7]方便、無盲區精度低PCB型羅氏線圈[48-50]精度高電路復雜分流器檢測同軸分流器[7,36]非線性元件[23]精度高可變保護閾值損耗大、成本高成本高、安裝不便柵極電荷檢測[36,43,53]HSF響應快電路復雜、FUL不適用(a)電路(b)檢測原理圖6二極管式退飽和檢測Fig.6Desaturationtechniquewithsensingdiodes如圖6b所示，PWM為高時，SiCMOSFET開始導較高，二極管(VDS1,…)反向截止，VCC通過Rblk對Cblk充電，A點電壓升高。在SiCMOSFET完全導通之前，需要預留足夠的盲區時間Tbl防止檢測電路誤觸發。當SiCMOSFET發生短路退出“飽和”狀態時，VA將上升超過閾值Vth1導致比較器翻轉。在SiCMOSFET完全開通后，A點電壓VA的大小可以表示為1)VA=VDS(on)+1)式中，VD為二極管正向導通壓降。可以看出，A點電位由SiCMOSFET導通壓降以及二極管的壓降決定。然而，在中大功率SiCMOSFET應用中，SiCMOSFET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10μs的短路承受時間，但對于SiCMOSFET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CoolSiCMOSFET具有3μs的短路承受時間[36]，基本半導體的SiCMOSFET短路承受時間則為6μs[37]，CREE和Rohm公司的SiCMOSFET短路承受時間約為2μs[7,38]。然而，商用SiCMOSFET驅動器檢測盲區幾乎都在μs級別，例如，CREE公司的PT62SCMD17檢測盲區時間為1μs[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SiCMOSFET的短路承受時間，μs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，SiCMOSFET即使承受1μs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，SiCMOSFET的電參數退化現象越明顯[41-42]。因此，當SiCMOSFET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SiCMOSFET短路時的電參數退化進而影響開關性能，還會大大增加SiCMOSFET短路失效的風險。2)寄生電感電壓檢測SiCMOSFET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SiCMOSFET電流變化第37卷第10期文陽等SiCMOSFET短路保護技術綜述2543率dID/dt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dI/dt檢測，如圖7a所示。圖7b為dI/dt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LSS上感應出一個負向電壓VSS，該電壓值與電流變化率成正比。當發生短路故障時，ID迅速上升，負向VSS觸發保護閾值Vth3，短路器件被關斷。dI/dt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SiCMOSFET開通時較高的dID/dt會感應出較大的負向VSS，也可能觸發閾值Vth3導致保護電路誤觸發。(a)電路原理(b)檢測原理圖7dI/dt檢測技術Fig.7dI/dttesttechnique鑒于此，華中科技大學WangZhiqiang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，SiCMOSFET漏極電流ID與輸出電壓VO的關系為ID(s)=VO(s)RfCf+≈VO(s)RfCf(2)SSSSLSSSS可以看出，輸出電壓VO隨著ID的增大而增加，當VO達到閾值Vth時觸發比較器。將SiCMOSFET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SFETVOIDRC積分器可以正常“記錄”電流上升。但t2時刻后，ID增大上升至負載電流水平，dID/dt趨近于零，CfLSSRf，?VO逐漸減小。到t3時刻，VO趨近于零。當t4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?VO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。(a)電路原理(b)典型波形圖8電流評估短路保護Fig.8Currentevaluationshort-circuitprotection為此，美國弗吉尼亞理工大學WangJun團隊提RC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Lo來減緩FUL時Co放電現象。電感Lo越大、Co放電越慢，但當FUL發生時刻大于一定值時，Co電位下降至零。此外，較大的電感值也會減緩Co充電過程，導致FUL保護響應時間變慢。為此，河北工業大學XinZhen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Cs放電，很好地(a)兩級RC型2022年5月2544電工技2022年5月2544(b)RCD型圖9改進的電流評估短路保護電路Fig.9Improvedcurrentevaluationshort-circuitprotectioncircuit解決了FUL發生時刻的不確定性所導致的Cs放電現象，但是電阻Rblo過大會同樣導致HSF和FUL保護響應時間變慢。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、短路保護應用。為此，WangJun等設計了一種適用于SiCMOSFETPCB]，z可以對SiCMOSFET模塊漏極電流進行準確的采集，為SiCMOSFET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SiCMOSFET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。(a)原理(b)安裝圖10適用于SiCMOSFET模塊的PCB型羅氏線圈Fig.10ARogowskicoilforSiCMOSFETmodulebasedonPCB4)分流器檢測分流器檢測通常在功率回路串入電阻、同軸分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SiMOSFET串入SiCMOSFET回路作為“分流器”[21]，基于SiMOSFET非線性特性的短路保護電路如圖11所示，利用SiMOSFET漏極電壓和漏極電流成正比的特性，將漏極電壓作為SiCMOSFET短路檢測的依據。此外，通過給SiMOSFET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SiCMOSFET短路損壞，但是SiMOSFET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SiMOSFET非線性特性的短路保護電路Fig.11Short-circuitprotectioncircuitbasedonSiMOSFET’snonlinearcharacteristic5)柵極電壓檢測HSF發生時，SiCMOSFET的柵極電荷值QG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VGS大于正常開通過程[50]，柵極電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，SiCMOSFET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SiCMOSFET柵極電壓已經為最大正向電壓，因圖12柵極電壓檢測原理Fig.12Principleofgatevoltagedetection文2545文2545此該方法不能對FUL進行檢測。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SiCMOSFET。然而，快速的關斷勢必會引起較高的關斷過電壓，導致SiCMOSFET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SiCMOSFET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SiCMOSFET短路電流，從而兼顧了SiCMOSFET短路關斷過電壓與關斷延遲時間，但大電阻關斷可能導致SiCMOSFET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SiCMOSFET維持導通狀態。在較低柵極電壓下，SiCMOSFET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，SiCMOSFET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SiCMOSFET的安全運行，阻礙SiCMOSFET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)SiCMOSFET短路承受能力提升。柵極可靠性問題嚴重制約著SiCMOSFET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)SiCMOSFET的短路檢測技術。相比于IGBT，SiCMOSFET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SiCMOSFET應用中短路檢測的技術需求，研發適用于SiCMOSFET的快速、可靠短路檢測技術將是未來研究方向之一。3)SiCMOSFET短路關斷策略。SiCMOSFET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SiCMOSFET因過電壓擊穿而損壞。傳統短路軟關斷策略不能權衡關斷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SiCMOSFET短路關斷策略也將是未來研究課題之一。參考文獻[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.ShengKuang,GuoQing,ZhangJunming,etal.DevelopmentandprospectofSiCpowerdevicesinpowergrid[J].ProceedingsoftheCSEE,2012,32(30):1-7.[2]吳海富,張建忠,趙進,等.SiCMOSFET短路檢測與保護研究綜述[J].電工技術學報,2019,34(21):4519-4528.WuHaifu,ZhangJianzhong,ZhaoJin,etal.Reviewofshort-circuitdetectionandprotectionofSiliconcarbideMOSFETs[J].TransactionsofChinaElec-trotechnicalSociety,2019,34(21):4519-4528.[3]YangYuan,WenYang,GaoYong.Anovelactivegatedriverforimprovingswitchingperformanceofhigh-powerSiCMOSFETmodules[J].IEEETransa-ctionsonPowerElectronics,2019,34(8):7775-7787.[4]周林,李寒江,解寶,等.SiCMOSFET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.ZhouLin,LiHanjiang,XieBao,etal.SabermodelingofSiCMOSFETanditsapplicationandanalysisinphotovoltaicgrid-connectedinverter[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2019,34(20):4251-4263.[5]邵偉華,冉立,曾正,等.SiCMOSFET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.ShaoWeihua,RanLi,ZengZheng,etal.Short-circuitevaluationandtemperature-dependentmodelofSiCMOSFET[J].ProceedingsoftheCSEE,2018,38(7):2121-2131.[6]WenYang,YangYuan,GaoYong.Activegatedriverforimprovingcurrentsharingperformanceofparal-2022年5月2546電工技2022年5月2546leledhigh-powerSiCMOSFETmodules[J].IEEETransa-behaviorofzirconiumdiboride-Siliconcarbidecom-ctionsonPowerElectronics,2021,36(2):1491-1505.posite[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety,[7]曾正.SiC功率器件的封裝測試與系統集成[M].北2012,32(12):3453-3462.京:科學出版社,2020.[17]NgutenT,AhmedA,ThangTV,etal.Gateoxide[8]AnJ,NamaiM,YanoH,etal.InvestigationofreliabilityissuesofSiCMOSFETsundershort-circuitrobustnesscapabilityof?730Vp-channelverticalSiCoperation[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,powerMOSFETforcomplementaryinverterappli-2015,30(5):2445-2455.cations[J].IEEETransactionsonElectronDevices,[18]RomangG,FayyazA,RiccioM,etal.Acom-2017,64(10):4219-4225.prehensivestudyofshort-circuitruggednessof[9]FursinL,LiXin,LiZhi,etal.ReliabilityaspectsofSiliconcarbidepowerMOSFETs[J].IEEEJournalof1200Vand3300VSiliconcarbideMOSFETs[C]//Emerging&SelectedTopicsinPowerElectronics,2017IEEE5thWorkshoponWideBandgapPower2016,4(3):978-987.DevicesandApplications(WiPDA),Albuquerque,[19]ChbiliZ,MatsudaA,ChbiliJ,etal.Modelingearly2017:373-377.breakdownfailuresofgateoxideinSiCPower[10]WangZhiqiang,ShiXiaojie,LeonM,etal.MOSFETs[J].IEEETransactionsonElectronDevices,Temperature-dependentshort-circuitcapabilityof2016,63(9):3605-3613.SiliconcarbidepowerMOSFETs[J].IEEETransa-[20]BoigeF,TremouillesD,RichardeauF.PhysicalctionsonPowerElectronics,2016,31(2):1555-1566.originofthegatecurrentsurgeduringshort-circuit[11]HuangXing,WangGangyao,LiYingshuang,etal.operationofSiCMOSFET[J].IEEEElectronDeviceShort-circuitcapabilityof1200VSiCMOSFETandLetters,2019,40(5):666-669.JFETforfaultprotection[C]//2013Twenty-Eighth[21]KnanleA,BaligaBJ.ComparisonofcurrentAnnualIEEEAppliedPowerElectronicsConferencesuppressionmethodstoenhanceshort-circuitcapa-andExposition(APEC),LongBeach,2013:197-200.bilityof1.2kVSiCpowerMOSFETs:anewapproach[12]WangHuai,BlaabjergF.Powerelectronicsreliability:usingaseries-connected,gate-source-shortedsistateoftheartandoutlook[J].IEEEJournalofdepletion-modeMOSFETvsuseofaseriesEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics,resistance[C]//2019IEEE7thWorkshoponWide2021,9(6):6476-6493.BandgapPowerDevicesandApplications(WiPDA),[13]YuLiangchun,DunneGT,MatochaKS,etal.Raleigh,2019:53-58.ReliabilityissuesofSiCMOSFETs:atechnologyfor[22]KanalaA,BaligaBJ.Anewuser-configurablehigh-temperatureenvironments[J].IEEETransactionsmethodtoimproveshort-circuitruggednessof1.2kVonDevice&MaterialsReliability,2010,10(4):SiCpowerMOSFETs[J].IEEETransactionson418-426.PowerElectronics,2021,36(2):2059-2067.[14]DasguptaS,KaplarRJ,MarinellaMJ,etal.Analysis[23]YaoK,YanoH,TadanoH,etal.Investigationsofandpredictionofstabilityincommercial,1200V,33A,SiCMOSFETshort-circuitfailuremechanismsusing4H-SiCMOSFETs[C]//2012IEEEInternationalelectrical,thermal,andmechanicalstressanalyses[J].ReliabilityPhysicsSymposium(IRPS),Anaheim,IEEETransactionsonElectronDevices,2020,67(17):2012:331-335.[15]KaplarRJ,MarinellaMJ,DasguptaS,etal.CharacterizationandreliabilityofSiC-andGaN-basedpowertransistorsforrene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