摘要:
SiC MOSFET器件作为第三代半导体器件，其优异的开关性能和耐高压、耐高温能力使得其在新能源汽车、充电桩、电力电子设备中得到广泛应用。SiC MSOFET器件作为开关器件，其最重要的特性即是开关特性。SiC MOSFET器件的开关特性除开关时间与开关能量外，由于器件的开关态导致的高尖峰电压与尖峰电流也是影响器件使用可靠性的重要参数。器件开关时间与能量决定系统的开关效率，开关过程中产生的尖峰电压与尖峰电流决定了器件是否能安全工作。本文通过双脉冲测试系统对SiC MOSFET器件的开关特性进行了研究，通过改变器件栅极电阻、漏极电压、漏极电流 值分析了变量对器件开关性能及尖峰电压与尖峰电流的影响，总结相关规律，为SiC MOSFET器件的设计、生产和使用单位综合评估器件开关性能提供了参考。
引言
随着社会的飞速发展和环保要求的持续提高，以电为驱动能源的设备与交通工具的技术和数量都得到了飞速提升，对设备的驱动能力、充电速度、续航等也提出了更高要求。为达到高驱动力，实现快速充电和高续航，必须使用大功率器件。SiC功率器件作为第三代半导体器件，具备高功率密度、耐高温、高禁带宽度的特点，在新能源汽车、电焊机、充电桩等设备中都有广泛的应用前景。其高开关速度、耐高压、耐高温的特点使得SiC MOSFET器件逐步替代Si MOSFET、IGBT等器件，成为未来电力设备中使用的主流器件。
SiC MOSFET器件在电力系统中往往作为整流电路出现，为方便使用，厂家往往将多个SiC MOSFET芯片封装成半桥模块进行使用。整流电路中，也对器件的开关性能提出了更高要求，要求器件在具有高开关速度的同时具备低开关损耗，提高整流的效率。因此，对器件开关性能的准确测试是保证准确评估产品性能的关键。GB/T 4586-1994中对场效应晶体管开关时间的测试方法进行了规定，在该测试电路中，场效应晶体管器件使用阻性负载，只能测到规定栅极电压、漏极电压、漏源电流下的器件关断时间，对于开 启时间，只能测得漏源电流为零时的器件开启特性。国标中规定的测试方法只能测试阻性负载下的开关性能，而SiC MOSFET器件在作为整流桥使用时，其开启瞬间回路中的电流并不为零，传统的测试方法无法评价此时器件的开关性能。为解决以上问题，IEC 60747-8中通过感性负载回路实现对SiC MOSFET器件高压高流状态下开关性能的评估。
得益于SiC MOSFET器件优秀的开关特性，在使用过程中由于感性负载、回路寄生电感、栅极电阻、栅极驱动能力等的影响，器件在实际工作中的波形并不是理想的方波，而是伴随着器件开关态存在尖峰电压、尖峰电流等。使用电路中产生的高尖峰电压与尖峰电流，有可能会对器件造成额外的损伤，如高尖峰电压可能造成器件的击穿，高的尖峰电流可能超出器件的安全工作区而引起器件烧毁。前级电路中器件的损坏可能会对后级电路造成毁灭性的影响，对整机系统也会造成不可挽回的损失。因此在对器件的开关特性进行研究时，对开关过程中所产生的尖峰电压与尖峰电流也应监控，以确保电路中各部分的可靠性。
为解决以上问题，本文研究了SiC MOSFET器件在双脉冲测试中由于栅极电阻、漏极电压、漏极电流等条件变化所引起的器件开关时间、开关能量、回路尖峰电压、回路尖峰电流的变化，对器件在不同条件下的开关性能进行了分析。本文的工作可以帮助器件设计与生产单位、测试单位和使用单位对器件开关特性有更深入的认知，反馈器件设计和使用。
1、试验方法概述
双脉冲测试电路的基本原理如图1所示，其中Q2为待测SiC MOSFET器件，Q1为被测件的陪测器件，D2和D1分别为Q2和Q1器件的寄生体二极管。L为负载电感，与陪测管Q1并联，Cbulk为母线电容，用于提供双脉冲测试时的电压与电流。
双脉冲测试中，陪测管Q1不进行开关动作，其栅极持续施加-5 V，保持器件沟道关断。被测器件Q2由栅极驱动进行连续两次的开启与关断，即双脉冲测试动作。整个测试过程中，电路中各部分的电压电流情况如下：1)电源DC为母线电容Cbulk充电，母线电容两端的电压快速达到设定值VDD；
1、电源DC为母线电容Cbulk充电，母线电容两端的电压快速达到设定值VDD；
2、第一次开启：被测管Q2开启，Q1保持关断，母线电容通过回路向负载电感充电，由于电感中电流不能瞬间变化，在极短的时间内，回路中电流以下式所计算的速度约以线性的形状逐步升高；
3、第一次关断：被测管Q2中电流上升至指定测试条件时，栅极驱动控制被测件Q2关断，通过示波器采集此时器件关断条件；
器件关断后，负载电感L中的电流通过陪测管Q1的寄生体二极管形成回路，保持电流值不变；
4、第二次开启：被测件Q2开启，Q2器件的漏源电流为电感中保持的指定值，通过示波器采集此时器件开启条件；
5、第二次关断：被测件Q2再次关断，通过泄放电阻将母线电感与负载电感中的电能泄放，完成测试。
2、试验设计
为研究负载电感、栅极电阻、测试漏极电压、测试漏极电流等因素对测试结果的影响，选取某型号TO247-4封装SiC MOSFET器件，该器件的常规测试条件为Rg=5.1 Ω，VGS=+18/-5 V，VDS=800 V，IDS=33 A。常规测试条件下测得的器件双脉冲动态参数测试曲线如图2所示。
由图2中曲线可以看出，器件在双脉冲测试过程中由于回路寄生电感和开关态时电流的快速变化，引起了电压尖峰；由于陪测管中寄生体二极管的反向恢复特性，在第二次开启过程中产生了较大的尖峰电流。实际使用过程中也会由于电路中的杂散电感引起类似的尖峰电压与尖峰电流，因此必须对相关现象进行研究。
设计正交试验，探究器件开关特性变化。设计的正交试验的测试条件分别如表1所示。器件开关测试结果与器件与测试夹具插装效果也有一定关系，因此只对正交实验组内的测试结果进行比对，探讨器件开关特性的变化趋势。
3、数据分析
3.1、不同栅电阻Rg下开关特性
选用不同栅极电阻，进行开关测试，得到如下的开关特性变化趋势，开关时间变化如图3所示。
所有的时间参数均随栅极电阻的增大而持续上升，开通延迟时间Tdon随栅极电阻增大到10 Ω时出现下降趋势，这是因为此时栅极电压曲线在1.8 V左右存在明显的震荡平台，推迟了栅压达到1.8 V的时间，导致测得的开通延迟时间偏小。
表1开关特性正交试验条件
开关能量随栅极电阻变化趋势如图3、4所示，开关能量随栅极电阻的升高而逐渐升高，呈现单调的变化规律。
尖峰电压与尖峰电流随栅极电阻Rg变化的趋势如图5所示，尖峰电压随Rg的增大呈现先增大后降低的趋势，而尖峰电流随Rg的增大呈现单调的下降趋势。
3.2不同漏极电压Vds下开关特性
设定不同漏极电压，进行开关测试，得到如下的开关特性变化趋势，开关时间变化如图6所示。从图中曲线变化趋势可以看出，器件开通时间随漏极电压变化率较小，趋势不明显。器件关断时间随漏极电压增大而逐渐增大，呈单调的上升趋势。
如图7所示，器件开关能量和尖峰电压值会随漏极电压的上升呈现上升趋势。由于漏极电压的值直接影响最终的开关能量值，除对Eon、Eoff实际值进行处理外，以800 V漏极电压下的能量值对Eon、Eoff值进行了修正，结果表明修正后的Eoff表现出较缓的变化趋势，而修正后的Eon仍随漏极电压快速增加。
流均随漏极电压的上升呈上升趋势。在对尖峰电压值进行修正后，器件尖峰电压修正值反而呈下降趋势，观察测试曲线，在产生电压尖峰时的电流下降速度随漏极电压的增大而逐渐下降，尖峰电压幅值的计算公式如式(2)所示：
虽然漏极电压VDS的增加引起了Vpeak值的快速上升，但随di/dt值的下降，使得电压尖峰上升值减小，最终导致尖峰电压修正值呈下降趋势。
3.3、不同漏极电流Ids下开关特性
不同漏极电流下器件开关时间的变化趋势如图9所示。随着漏极电流的增大，器件开通延迟时间Tdon几乎无变化，上升时间Tr随漏极电流增大呈上升趋势。而随漏极电流的增加，器件关断延迟时间和下降时间呈单调的下降趋势，该规律与漏极电压的影响相反。
开关能量随漏极电流变化的趋势如图10所示，未进行修正前，开关能量随漏极电流的上升呈单调上升趋势，修正后的开关能量随漏极电流的上升呈下降趋势，这是由于随漏极电流增大，电流上升和下降速度增大导致。
尖峰电压和尖峰电流随漏极电流的增加而逐渐增大，修正后的电流尖峰反而呈逐渐下降趋势。尖峰电流的变化由陪测管Q1的寄生二极管的反向恢复电流、被测件输出电容及回路寄生参数综合影响导致。
4、结论
本文对SiC MOSFET器件双脉冲测试过程中不同条件下的器件开关时间、开关能量、回路尖峰电压、尖峰电流参数进行了分析。结果表明随器件栅极电阻增大，器件开关时间、开关能量均增大，而尖峰电压先上升后下降，回路尖峰电流呈下降趋势；随漏极电压的增大，开通时间变化率较小，关断时间呈上升趋势，尖峰电压与尖峰电流均呈上升趋势；随漏极电流增大，器件关断时间呈下降趋势，开关能量呈上升趋势，尖峰电压和尖峰电流均呈上升趋势。在器件实际使用中，应综合考虑器件耐反向击穿值及安全工作区特性，保证器件在使用过程中不被击穿或烧毁。
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