[发明专利]基于功率半导体器件静态参数判定短路后失效方法及其应用

说明书

基于功率半导体器件静态参数判定短路后失效方法及其应用，包括如下步骤：判断系统是否发生短路故障，若是则启动短路保护，主回路断开；用于检测功率半导体器件损坏情况的电路启动，测量功率半导体器件的静态参数；采集测量结果，将其与预设阈值进行比较；输出比较结果，若判定功率器件已发生栅源极失效，则需要发出损坏预警，若判定功率器件状态良好、尚未损坏，则可继续使用；电路重合闸，主回路闭合，系统继续运行。本发明提出的基于栅极泄漏电流的短路后栅源极失效判定方法具有更高的判别准确性、灵敏性、实用性、更高的参数灵敏度、更准确有效。

技术领域

本发明涉及一种失效判定方法及其应用，尤其是涉及一种基于功率半导体器件静态参数判定短路后失效的方法及其应用，属于电子元器件性能判定领域。

背景技术

功率半导体器件在电力电子技术领域一直占据着重要地位。相比传统的硅基器件，碳化硅MOSFET具有可耐受更高温度和电压等级、导通损耗更低和开关速度更快等一系列优势。电压等级为600V至1700V的碳化硅MOSFET已经在可再生能源发电、轨道交通、电动汽车等诸多工业领域具有广泛应用。随着应用环境越来越复杂化，功率半导体器件，如碳化硅MOSFET发生短路故障的风险逐渐增大。功率器件发生短路故障时的电路原理如图1所示，其中DUT代表投入使用的功率半导体器件，R、L代表应用中的负载。在功率器件导通的状态下，外电路可能因桥臂器件故障、驱动电路故障或外界干扰引起误动作等原因导致负载短路。此时功率半导体器件的漏源极间承受高电压，瞬间产生的短路大电流流过器件。短路故障带来的巨大功率导致热量快速累积，最终高温带来的热应力损坏器件的栅极电介质夹层，最终发生短路失效。

由于碳化硅MOSFET的栅极氧化层厚度更薄、芯片面积更小、短路电流密度更大，导致其相较于硅基IGBT具有更弱的短路鲁棒性。在实际应用中，当短路保护动作、主回路断开后，需要对碳化硅MOSFET的损坏情况进行准确判别，保证及时更换已损坏的器件，确保碳化硅MOSFET再次投入使用后电力系统的运行可靠性。

在目前的碳化硅MOSFET短路故障相关研究中，栅源极短路失效是最常见的失效模式。现有的传统方法均依据碳化硅MOSFET关断后的栅源极电压u_GS波形，定义在器件关断数微秒后，栅源极电压u_GS的上升时刻为栅源极短路失效的发生时刻。如图2所示，u_GS在关断后出现上升的本质是短路冲击强度导致器件的栅源极间绝缘性降低，栅源极间短路时栅极电流i_G增大，此电流经过栅极驱动电阻R_G会产生一定的反向压降，进而导致u_GS上升。如公式(4)所示，其中U_GG为碳化硅MOSFET的栅极驱动电压。

u_GS＝U_GG-R_G×i_G (4)

在实际应用中使用这种现有的传统判定方法判别半导体功率器件如碳化硅MOSFET的损坏情况时，主要面临着以下问题：

(1)由于碳化硅MOSFET关断时刻与栅源极短路的发生时刻之间的时间间隔长度具有随机性，如图3所示器件从关断至u_GS上升之间的“延迟”时长不确定。当此间隔时间较长而波形的记录时间范围设置较短时，可能发生在实际中碳化硅MOSFET已发生了栅源极短路，而在波形中并未记录到栅源极电压u_GS上升的情况。这将导致误判碳化硅MOSFET的损坏情况，认为器件的状态良好、可继续使用，但实际上器件的栅极结构已遭受损坏。最终这类误判将降低碳化硅MOSFET在实际应用中的可靠性，严重时甚至可能导致电力系统崩溃。