大電流下SiC MOSFET模塊的暫態溫度特性研究

（清華大學電機系，北京 100084）

隨著寬禁帶器件研究的逐步發展，基于SiC尤其是SiC MOSFET的電力電子器件，正在得到越來越廣泛的應用。由于SiC材料本身具有更高的禁帶寬度，擊穿場強和熱導系數，SiC基器件相對Si基器件在通態損耗、開關速度、工作溫度等方面表現出明顯的優勢，可以滿足更廣泛的應用需求[1-2]。其中，在極端溫度下的應用已成為SiC MOSFET的重要研究方向，而對SiC MOSFET溫度特性的研究就顯得尤為重要。

近些年來，國內外諸多學者都對SiC MOS?FET的溫度特性進行了研究。國內主要有文獻[3]針 對 1 200 V∕36 A 單 管 SiC MOSFET 在 25～150℃溫度條件下對開關延時、開關損耗進行了測定。文獻[4]對1 200 V∕40 A單管SiC MOSFET的閾值電壓、跨導、通態電阻等靜態參數進行了測定，測試溫度條件為25～150℃。國外文獻中的研究相對更加完備。文獻[5]對動態和靜態參數進行了綜合測量，測試溫度達到200℃。文獻[6-7]則對低溫下的參數也進行了測試，測試溫度條件為-100～200℃，并對結果進行了分析。文獻[8-9]在改變溫度的同時，對門極電阻、負載電流都進行了不同工況下的動、靜態參數對比，并在實際的DC-DC變換器中也進行了測試。

已有的工作對高低溫環境下的動、靜態參數都有了完備的測試結果，但之前的工作大多采用單管進行測試，負載電流都沒有超過50 A。但實際中，大功率模塊的電流遠不止50 A，以CREE的CAS300M12BM2半橋模塊為例，其標準為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特性的相關工作做的還不夠。除此之外，先前實驗中，以高溫為例，多采用熱盤對SiC MOSFET加熱的方式，只有SiC MOSFET的殼體與熱盤接觸時，測試環境才相對開放。而實際的控制器中，驅動板等外圍電路與功率器件共同存在于密閉殼體中，這樣的測試和實際工況有一定的差距。

針對以上兩點問題，本文選用CREE公司的1 200 V∕300 A半橋模塊CAS300M12BM進行測試，將整個雙脈沖實驗平臺，包括驅動板，置于密閉溫箱內，在不同溫度下進行了電流等級較高的雙脈沖測試，記錄不同溫度下暫態特性。

1 理論分析與測試方法

1.1 暫態溫度特性的理論分析

在進行實驗測試前，對SiC MOSFET暫態過程中的主要參數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，具體來講，隨溫度增加，本征載流子的濃度會逐漸增大，而本征載流子影響閾值電壓的變化。閾值電壓Vth的表達式為

式中：εs為相對介電常數；k為玻爾茲曼常數；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的閾值電壓會隨之降低。這一結論在文獻[6]中給出實驗證明。

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

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，跨導隨之增大。跨導對于暫態特性的影響，直接體現在米勒電壓上，表達式為

式中：Vplate為米勒平臺電壓；IL為負載電流，感性負載下可視為不變。

綜合式（1）～式（3）的理論分析，溫度升高，閾值電壓降低，米勒平臺電壓降低。這兩個參數直接影響開通和關斷速度。以開通過程電壓下降時間tvf和關斷過程電壓上升時間tvr為例，表達式為

式中：Qgd為開通過程中對米勒電容的充電電荷；Rg為門極電阻；Vdriveon為正向驅動電壓，對SiC MOSFET一般為20 V；Vdriveoff為負向驅動電壓，一般為-5 V；Ciss為輸入電容。

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

1.2 平臺搭建與測試方法

對半橋模塊通過雙脈沖實驗來測定其在不同溫度下的動態參數特性。雙脈沖實驗原理圖如圖1所示。半橋模塊的上橋臂始終保持負壓關斷，等效為反并聯二極管，下橋臂加雙脈沖信號。

圖1 雙脈沖實驗原理圖Fig.1 Schematic of double pulse test

基于圖1中的雙脈沖原理圖搭建實驗測試平臺，包括功率回路、驅動回路和測試環節3部分。功率回路半橋模塊選型為1 200 V∕3 00 A模塊CAS300M12BM2；負載電感為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4 700 μF電解電容提供瞬時電流，緊鄰模塊并聯100 μF薄膜電容濾波穩壓。驅動回路選用Si8285作為隔離芯片，選用ZXGD3006作為柵極驅動器，通過DSP產生雙脈沖信號。測試部分示波器型號為MDO3024，帶寬200 MHz；電壓探頭型號為TektronixP5205，帶寬100 MHz；電流測量采用羅氏線圈CWT∕UM∕1∕B，帶寬30 MHz，量程300 A。雙脈沖測試平臺實驗電路圖如圖2所示。

圖2 雙脈沖測試實驗電路Fig.2 Experiment circuit for double pulse test

為盡可能達到接近實際工況下的測試效果，將功率模塊、驅動板、負載電感、母線電容均置于溫箱內部；DSP以及示波器等置于溫箱外。測試條件為：母線電壓400 V，考慮模塊通流能力和羅氏線圈量程，負載電流為50～150 A，整個實驗平臺環境溫度為-20～60℃。

實驗過程保持母線電壓為400 V不變，調整雙脈沖第1個脈沖的寬度來控制負載電流，實驗中電流取值分別為50 A，100 A，150 A，對應脈寬分別為18 μs，36 μs，54 μs。第二脈寬設為4 μs，兩脈寬之間間隔為4 μs，以保證開通關斷過程電流基本不變。

2 實驗結果與分析

在-20℃，0℃，20℃，40℃，60℃的環境溫度下依次進行50～150 A 3個電流等級的雙脈沖測試。給出測試波形，并對其中的開關時間、開關損耗以及電流電壓過沖、電應力等主要的暫態參數在不同溫度下進行對比分析。

首先，圖3、圖4以150 A電流等級為例，給出了-20℃，20℃，60℃3個溫度測試點下所得的開關波形。對圖3、圖4進行定性分析，得出如下結論：在150 A電流等級下，隨著溫度的升高，開通過程加快，而關斷過程變慢，并且在50 A和100 A電流等級下有相同結論。為給出更具體的定量分析結果，從開關時間、開關損耗，以及電壓、電流變化率3個角度給出具體的參數變化。

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

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

2.1 開關時間的溫度特性

首先對不同溫度下開關過程的時間進行測定，以IEC60747-8中給出的標準測定時間tdon，tdoff，tr，tf為例，不同溫度下的開關時間測試結果如表1所示。

表1 不同溫度下的開關時間Tab.1 Switching times at different temperatures

表1中將延遲時間和上升、下降時間分別測算。隨溫度升高，開通延遲時間tdon和上升時間tr呈下降趨勢。關斷延遲時間tdoff呈迅速上升趨勢，下降時間tf則基本保持不變。這與1.1節中對上升和下降時間給出的理論分析結果相吻合。

為給出更直觀的分析結果，將開通、關斷總時間ton，toff實驗結果進行匯總如圖5所示，其中，ton=tdon+tr，toff=tdoff+tf。從圖 5 中可見，隨溫度升高，關斷總時間從550 ns上升到617 ns。開通總時間從258 ns下降到223 ns。從變化絕對值的角度來看，關斷時間相對開通時間有更高的溫度敏感性，并且這一敏感性主要體現在關斷延遲時間上。

圖5 不同溫度下開關總時間Fig.5 Total switching times at different temperatures

2.2 開關損耗的溫度特性

開關損耗作為直接影響效率的關鍵因素，其溫度特性具有重要意義。以150 A負載電流為例進行損耗測算，如圖6所示。

圖6 150 A負載電流下開關損耗Fig.6 Switching losses with the load current of 150 A

由圖6可知，在150 A負載電流等級下，溫度從-20℃上升到60℃，開通損耗從3.15 mJ下降至2.49 mJ，呈明顯下降趨勢；關斷損耗從4.04 mJ上升至4.22 mJ，呈緩慢上升趨勢；由于開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。

為表現不同電流等級下的溫度特性變化，繪制50 A和100 A下的開關損耗如圖7、圖8所示。表現出的特性類似，溫度升高，開通損耗減小、關斷損耗增加，但增加幅度較小，總損耗略有減小。隨著負載電流的增大，損耗增加，特別的，關斷損耗對電流等級的敏感性大于開通損耗。因此50 A下開通損耗較大，150 A下關斷損耗較大。

圖7 50 A負載電流下開關損耗Fig.7 Switching losses with the load current of 50 A

圖8 100 A負載電流下開關損耗Fig.8 Switching losses with the load current of 100 A

2.3 電應力和電壓、電流過沖的溫度特性

除去最直觀的開關速度和損耗之外，開關過程中的電壓變化率 dv∕dt、電流變化率 di∕dt以及其導致的電壓、電流尖峰也是影響驅動性能的重要參數。考慮到測量精度，以150 A負載下的實驗結果為例進行測量，以開關過程中的平均電應力作為測量標準，di∕dt和 dv∕dt數據處理所得結果如圖9所示。

圖9 開關過程中的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電流等級下，隨著溫度從-20℃上升至60℃，開通過程中電流變化率從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；關斷過程電流變化率從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，開通過程電應力迅速增大，關斷過程電應力有所下降。這與上文中溫度升高，開通過程迅速加快，關斷過程略有減緩的結論相對應。

在電應力測定的基礎上，對150 A開通、關斷過程電壓、電流尖峰在不同溫度下進行對比，如表2所示。結果以比例形式呈現，基準值為負載電流150 A，母線電壓400 V。

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

從表2中可見，溫度升高，電壓過沖略有減小，電流過沖則呈現明顯的增大趨勢。通過電應力分析可知，開通過程的電應力隨溫度升高快速增大，關斷過程的電應力隨溫度升高逐漸減小。對應的，隨溫度升高，開通過程中的電流過沖呈現明顯增大的趨勢，而關斷過程中的電壓過沖則略有減小。由于電流過沖較大，實驗負載電流設定值僅增大到150 A。

3 結論

本文系統研究了SiC MOSFET功率模塊在50～150 A電流、-20～60℃溫度下的暫態溫度特性。在理論分析的基礎上通過雙脈沖實驗測定開關波形，對開關過程中的時間、損耗、電應力、及電壓、電流過沖等參數進行定量分析，得出大電流下暫態參數的溫度特性規律：1）溫度升高，開通延遲時間和上升時間呈下降趨勢；關斷延遲時間呈迅速上升趨勢，下降時間基本保持不變。2）溫度升高，開通損耗下降，關斷損耗略有上升，總體損耗呈略微下降趨勢。3）溫度升高，開通過程電壓、電流變化率迅速增加，關斷過程中的電應力略有下降。對應的，電流過沖迅速增大，電壓過沖略有減小。

以上是對大電流等級下暫態參數的溫度特性分析，對特殊溫度下SiC MOSFET的應用選型和驅動設計有重要的實際意義和參考價值。例如，實驗結果表明，在高溫環境下，關斷速度會降低。則可考慮采用負溫度系數的門極電阻等方案，加速高溫環境下的驅動過程，以保證驅動性能的穩定的溫度特性。

另外，驅動板整體置于溫箱內，使得實驗的溫度范圍還不夠寬泛，后續工作將圍繞高溫驅動板的設計和更寬范圍的溫度測試展開。