摘要:
提出了一种可以实时在线监测SiCMOSFET栅氧老化状态的简便方法，可对并联SiCMOSFET器件老化导致的不均流问题进行监测和预防。本研究采用分段解析方法，深入探究了SiCMOSFET开关瞬态响应特性，并推导出栅极导通瞬态过程的高频等效电路模型。利用该模型，重点剖析了栅氧化层退化对开通振荡电流形成的关键影响，揭示了二者间的因果关联。所得结论为实施SiCMOSFET栅氧老化在线状态监测提供了坚实的理论支撑。随后，通过实验验证了该参数可实现并联SiCMOSFET器件老化不均流问题的在线检测，对后续并联电路参数设计、并联驱动电路设计、在线状态检测等具有一定的参考价值。
引言
碳化硅MOSFET作为一种单机电源装置，由于其电阻低、输入阻抗高、开关速度快的优点，将成为300~4500V阻断电压范围内的理想高电压电源开关装置，有可能取代硅基IGBT，进一步提高系统的开关频率和整体效率。因此，碳化硅MOSFET自成立以来就在电力电子领域引起了广泛的关注。与硅基MOSFET和硅基IGBT相比，它还具有耐高温、高开关频率、高功率密度等优点。
尽管SiCMOSFET显著提升了电力电子变换器的关键性能指标（如效率、功率密度），然而，栅氧化层退化现象却成为制约其高可靠性目标实现的核心瓶颈，直接威胁着系统的整体运行稳定性。SiCMOSFET栅氧老化主要是由电子隧道进入SiC/SiO2界面的近界面氧化物陷阱引起的。相对较薄的栅极氧化层和存在于栅氧化物层中的大电场，使其更易发生栅氧化物的降解，降低了器件的可靠性。栅氧老化问题已成为目前限制SiC器件可靠性的关键因素，因此对SiCMOSFET栅氧老化进行状态检测是必要的。
作为一种相对较新的SiC器件和技术，前期研究主要集中在栅氧老化的机理和特征参数层面，并通过特征参数进行了栅氧老化监测方法的探究。已对SiCMOSFET栅氧退化的多种电气前兆参数进行了大量研究。这些参数可大致分为两类：静态参数与动态参数。
静态参数包括：导通电阻（Rds,on)，饱和区漏源电阻（Rds,sat)，结电容。其中：[表明栅氧退化会影响Rds,on，但难以区分封装退化效应。通过加速老化实验发现，低栅压下的Rds,sat可表征SiCMOSFET栅氧老化。指出栅漏电容Cgd与栅源电容Cgs会随栅氧老化变化，在低压区（Vds<1V）产生皮法级偏移。[提出一种关断时可提取的敏感参数——特定栅压区间（如-6V至-5V）的栅电荷充电时间（tc）。
动态参数主要包括：阈值电压（Vth），栅极平台电压（VGP），平台时间（tGP），栅极漏电流（Igss），开通瞬态参数。
Vth是检测栅氧缺陷的常用参数，其漂移主要源于老化过程中界面态密度升高，但在线监测需在开通瞬态同步测量栅源电压与漏极电流。证实VGP、tGP与Vth存在强相关性，可用于特定负载电流下的栅氧老化检测。发现Igss在栅氧退化初期缓慢变化，在器件失效前急剧上升。通过导通态栅漏电流来实现栅氧状态监测。
尽管已有大量研究，但受电磁环境恶劣与老化征兆变化微弱的影响，SiCMOSFET栅氧退化的在线监测仍存在以下难点：
1、常规工况灵敏度不足
多数参数仅在特定条件下敏感（如低栅压Vgs=6.8V时的Rds,sat、低压区Vds<1V的结电容），而实际应用需要在正常运行状态下监测。
2、电磁干扰（EMI）敏感性
SiCMOSFET的超快开关速度导致其易受EMI影响，任何直接电接触的监测技术都可能引入可靠性风险。
3、测量精度要求苛刻
基于开关瞬态的监测方法虽灵敏度高，但需具备高速（纳秒级）、高采样率、高分辨率的测量系统。例如监测开通时间变化需皮秒级分辨率，显著增加系统复杂度与成本。
同时，为了提高碳化硅MOSFET的电压电流等级，可以构建多芯片功率模块或并联多个碳化硅MOSFET，这两者都需要充分了解碳化硅MOSFET的并联性能。在高功率应用中，碳化硅MOSFET的并联均流问题也很突出，需要选用出厂参数相近的器件进行配对才能到达较好的效果。然而，栅极氧化物降解通常会导致高栅极漏电流和阈值电压不稳定。在高功率变换器系统中，多个SiCMOSFET通常并联连接，由于栅极氧化物降解不均匀导致器件之间的电压变化可能导致异步开关。因此，在实际应用中，如何在线监测SiCMOSFET并联器件的老化状态，来避免过大的不均流现象发生，对于系统运行可靠性提升有很大的作用。
为了应对上述问题，通过研究SiCMOSFET开关过程中的栅极电流振荡与栅氧老化的内在关系，提出了一种适用于并联系统中的SiCMOSFET在线监测方法。所提出的方法利用高频栅极开通振荡电流作为前兆参数，该振荡电流由导通时刻的高dv/dt产生，并通过SiCMOSFET的结电容耦合到栅极回路。随着SiCMOSFET的漏源极电压下降时间因栅极氧化物降解而增加，栅极开通电流振荡的峰值相应减小，可以在线表征栅极氧化物的健康状况。
1、SiCMOSFET栅氧老化和栅极开通电流振荡的关系
1、1SiCMOSFET栅氧老化机理
在栅极氧化层可靠性方面，SiC器件上SiO2的物理击穿场强与Si器件上SiO2的击穿场强相近。这表明，在SiC上形成的SiO2层的整体击穿稳定性与在Si上形成的SiO2层相当。SiCMOSFET的栅极氧化层可靠性较低的原因，主要是由于“外部”缺陷，这些缺陷导致氧化层微小的变形，从而使局部氧化层变薄，如图1所示。这些外部缺陷可能是由于氧化层变形（由于外延层或衬底缺陷等）引起的物理氧化层变薄，或是由于含有金属杂质、颗粒或孔隙等因素导致介电场强降低，进而引发电气氧化层变薄。
图2显示了N型SiCMOSFET的物理结构，其中栅极氧化层位于栅极和半导体表面之间，即红色虚线框标注的栅氧老化区域。
1.2、SiCMOSFET栅极回路开关过程建模
采用具有寄生参数的单驱动器和双SiC半桥并联电路来评估Vgs的开关振荡，如图3所示。碳化硅MOSFET开通过程可分为4个时间段，分别为：①栅极驱动信号延迟时间；②电流上升时间；③米勒平台时间；④栅源电容剩余充电时间。从图3中可以看到，两个并联期间呈现对称结构，因此按照单器件电路分析过程来进行简化。其开通波形如图4所示，等效电路图如图5所示。
Vds的下降时间tvf，近似于米勒平台时间tGP，会随着栅氧老化而改变，该行为发生在米勒平台阶段。为此，需要通过对开通过程的各个阶段进行建模，来详细分析栅氧老化对整个开通过程（由于并联的对称结构，下面仅对单侧栅极回路进行推导分析）的影响，深入探究栅氧老化对于SiCMOSFET开通过程参数的作用机理。
1、t0-t1阶段（Vgs≤Vth)
驱动正压VEE在该阶段启动对器件输入电容Ciss的充电过程。一旦栅压Vgs超过阈值电压Vth，沟道形成，器件开始导通电流，然而漏源极间电压Vds此时仍保持高位。此阶段电路特性表现为栅极驱动回路与主功率回路相互解耦，其对应的简化高频等效电路模型如图5(a）所示。在该模型下，驱动电流主要流经Ciss，导致栅源电压Vgs呈现持续上升趋势。此时栅极电流Ig1表达式如下：
其中，Ciss=Cgs+Cgd为器件的输入电容；VEE为驱动正压的振幅，Lgs=Lg+Ls为栅极回路总寄生电感，Rg为栅极电阻。传递函数的固有频率ωn和阻尼比ξ可表示为：
2、t1-t2阶段（Vth
Vgs在t1时刻到达阈值电压Vth,SiCMOSFET开通。负载电流开始流经SiCMOSFET，漏极电流Id从零增加到最大值，电压和电流在此间隔内重叠。漏极电流在此阶段的di/dt在源极寄生电感Ls上产生一个与驱动回路电压相反的暂态过冲电压，使Ig短时间内快速减小甚至反向，等效电路图如图5(b）所示。此时栅极电流Ig2表达式如下：
3、t2-t3阶段（米勒平台阶段）
器件工作点进入米勒平台区域。该阶段的显著特征是漏源电压Vds急剧跌落，导致漏极节点D的电位变化率dv/dt极高。此dv/dt作用于Cgd，激发位移电流Igd。位移电流Igd构成了栅极驱动回路与主功率回路之间的耦合通路。在此阶段，栅极回路的高频等效模型如图5(c）所示，其中位移电流Igd等效为一个作用于栅极回路的瞬态电流源。
米勒平台阶段时间很短，t2到t3阶段的暂态电流视为无损耗，则该阶段的栅极电流峰值出现在t3附近。此时栅极电流Ig3表达式推导如下：
式中Cgd.av为Cgd在t2到t3阶段的的均值，tvf为漏源电压下降时间，VDC为母线电压。
由于漏源电压下降时间极短，图5(c）所示的等效电路模型可等效为栅极驱动回路对位移电流Igd产生的瞬态激励的响应过程。依据此电路结构，其回路表达式可描述为：
式中，Ig(t2-）为t2时刻前流经栅极电感的电流。化简式（5）可得：
由于栅源电感Lgs和栅源电容Cgs的典型值处于纳亨和纳法量级，VEE与VGP之间相差不大，且Ig(t2-）（毫安级）与极短的tvf（纳秒级）相比其影响较小。综合这些因素，Ig(t2-）、VGP和VEE在式（6）中的贡献远小于主导项，故可予以忽略以实现模型简化。由说明书得知栅漏电容在该阶段几乎不变，即Cgd.av≈Cgd，此时Ig3表达式为：
4、t3-t4阶段（米勒平台后）
器件进入完全导通状态，漏源电压稳定在通态压降，Igd归零。此时，栅极驱动回路与主功率回路恢复解耦状态。此时的栅极电流为三阶段的Ig叠加之和。
其中Ig1是栅极充电电流，Ig2是栅极电流过冲。Ig3是导通之后栅极电流振荡产生的主要因素。在t3时刻Ig1、Ig2已经衰减一大部分，因此t3之后主要有米勒平台阶段产生的高频振荡电流主导，栅极开通电流振荡峰值Ig＿sw(pk）出现在t3附近。
1.3、栅氧老化对栅极开通振荡电流的影响
根据上文推导的栅极电流表达式，来进一步明确栅氧老化对栅极开通振荡电流的影响。如式（1)(3)(7）所示，Ig幅值受多个参数影响。其中VEE、Lgs、Rg、Id与栅氧老化无关，主要考虑受栅氧老化影响的变量Cgs、Cgd和tvf。[10]的研究表明，栅源电容对栅氧化层退化的敏感性呈现显著的电压依赖性，其容值仅在栅源电压处于低压区间（0～1V）时，才会随老化程度而显著增大。因此栅氧老化引起的Cgs改变仅对Ig1有影响，对Ig2、Ig3的影响性可以忽略。
从[10]可知，栅氧老化会导致米勒电容在低压工作区（0～3V）发生容值衰减。但需注意的是，当漏源电压降至该区间时，器件已完成开通过程，因此栅氧化层退化导致的米勒电容变化与Ig1、Ig2和Ig3均无关。漏源极电压下降时间tvf随着栅氧化而增加，导致dVDC/dtvf在恒定电压下减小，最终导致Ig3随栅氧老化而减小。
经过上述分析，栅氧老化会导致Ig1增大、Ig3减小。[7]研究表明Ig1并不会产生振荡，且在米勒平台前已经接近于零；[10]经过长时间的老化，Cgs的增加也在3%以内，因此Cgs改变引起的Ig1变化对开通之后总的Ig几乎无影响。
虽然Lgs和Rg直接影响Ig＿sw的振荡幅度与频率，但二者作为无源器件参数对栅氧老化具有不敏感性。而直流母线电压VDC作为外部激励源，其幅值与Ig＿sw峰值呈线性依赖关系，故需考虑VDC的工况变化影响。
从上述分析和表达式可以看出，栅氧老化影响Ig的本质是改变了米勒平台阶段的dVDC/dt。Ig与功率测的直流电压VDC有关，与负载电流和电路拓扑等并无关系。这是由于米勒平台时，负载电流Id已经上升到导通水平，在米勒平台期间及导通后，仅有小幅振荡，几乎不变，并不会影响到Ig的幅值。
2、SiCMOSFET并联下的栅氧老化在线监测方法
2.1实验平台搭建
实验选取CREEC3M0075120KSiCMOSFET作为监测器件，实验台参照CreeKIT8020-CRD-5FF0917P-2中的设计，原理图及实物图如图6所示。该测试台允许在任何预设操作点（即电压、电流、温度、开关频率）的双脉冲或连续PWM操作条件下测试SiCMOSFET。主电路由带有感性负载的可调直流电源供电的半桥电路组成。为了调节SiCMOSFET的温度，安装了一个由两个PTC电加热元件和一个PID温度控制器组成的加热系统。SiCMOSFET外壳温度Tc由安装在模块下方的热电偶测量，可设置在20～150℃范围内，精度小于1℃。试验台参数如表1所示。
本实验采用TITMS320F28335DSP控制器驱动SiCMOSFET功率器件。测试系统中，器件漏源电压（Vds）通过高频差分探头实时捕获，漏极电流（Id）采用专用高频电流探头获取。所有电信号经数字存储示波器同步采集并传输至主控计算机进行波形分析。
将漏极和源极端子接地，通过在高温（150℃）下向栅电极施加33V的偏置电压来执行电应力，使其足以引发可观察到的栅氧劣化，但又足够低，不会导致栅极氧化物击穿。
2.2、实验结果
在双脉冲实验中，设定直流电压VDC为600V，开通时间T1=T2=T3=40μs，测量栅极开通振荡电流Ig＿sw(pk）随老化的变化，绘制如图7所示。
实验结果表明，随着栅氧老化程度的增加，栅极振荡电流的初始峰值Ig＿sw(pk）在老化200h后逐渐减小约40%。栅极开通振荡电流的降低可以作为监测栅极氧化物降解的灵敏前兆参数，实验结果与SiCMOSFET中栅极氧化物降解的理论分析一致。
随机选取3个相同批次型号的SiCMOSFET在双脉冲实验台上进行并联老化实验，编号为DUT1,DUT2,DUT3具体操作如下：
①首先测量未老化的管子DUT1,DUT2并联时的栅极开通振荡电流（VDC=300V,Rg=6.2Ω）。
②下述实验加速老化选择Vgs=30V,T=150℃，并每5h测量记录一次栅极开通振荡电流。管子并联测量时选取DUT1和DUT2并联（DUT1正常管，DUT2老化管），DUT2和DUT3并联（DUT2、DUT3均为老化管且加速老化条件相同），测量各个管子的栅极开通电流振荡。
③得到未老化管子DUT1和老化管子DUT2并联下的电流；相同老化程度管子DUT2和DUT3并联下的电流。将其峰值统计如图8和图9所示。
从实验结果可以看出，并联状态下将其中一个管子加速老化，其Ig＿sw(pk）随老化逐渐降低而未老化管子几乎不变；相同程度老化状态下的管子并联，其各自的Ig＿sw(pk）随老化均呈现降低趋势。表明栅极开通振荡电流峰值在多并联电路中仍然可以作为栅氧老化状态监测参数。
3、讨论
3.1工作电流
根据理论推导，栅极开通电流振荡与功率侧无关，也就不会受到负载电流的影响。根据连续脉冲测试的结果，如图10所示，在不同负载电流下，栅极开通振荡电流并不受到负载电流的影响。因为Ig正比于dVDC/dtvf，观察VDC=600V时，不同负载电流下的tvf变化。该SiCMOSFET满载运行时负载电流可达到15A，观察到tvf的变化即使在负载电流为24A时也可以忽略不计，因此负载电流并不会影响到栅氧老化监测的准确性。
3.2工作电压
根据式（7），运行电压的改变对于开通时电压下降时间有较大的影响，但是激励幅值同时发生了变化，且二者均为线性变化。在理论上，二者同时变化后的两个波形对称等效的梯形波时相似的，所以对于Ig＿sw(pk）的影响应该也是线性的。在双脉冲测试中需要控制其通过SiCMOSFET的漏电流不变。实验通过改变宽脉冲长度，使得漏极电流Id=8A,VDC=200V、400V、600V、800V，记录了不同直流电压下的栅极开通电流振荡峰值Ig＿sw(pk）如图11所示。从结果来看，随着直流电压VDC增大，栅极开通电流振荡幅值随之增大，且Ig＿sw(pk）与直流电压近似成正比，可以进行在线补偿。
3.3温度的影响
理论上，由于温度会对Vth产生影响，所以与Vth有关的诸如Ron、VGP、tGP、tvf、Vsd等参数都会受到影响，因此本文提出的使用Ig＿sw(pk）也需要考虑温度导致的参数偏移。将器件加热到相应温度并保持10min以上，此时SiCMOSFET的壳温近似为为结温，利用实验测试平台的的PID温度控制器改变SiCMOS‐FET的壳温并进行温度监测。
为评估温度影响，实验中通过加热散热器将待测SiCMOSFET的壳温分别设定为25°C、40°C和60°C，该温度在热稳态下近似等于器件结温。图12展示了不同栅氧层退化状态下温度的影响效应，其中开关过程栅极峰值电流Ig＿sw(pk）随温度升高而增大，这源于其与阈值电压Vth的负相关特性[12]。相反，栅氧层退化会导致Vth升高和Ig＿sw(pk）降低。与器件主电流不同，温度对栅极开关振荡电流的影响更为显著，需依据图13所示的温度依赖特性进行适当补偿，以实现栅氧层状态的精确监测。实际应用中，SiCMOSFET的结温可通过在线监测技术获取。
在实际系统中，可以根据监测要求精确度和环境温度变化程度来进行不同方案的补偿，主要有以下两种情况：
1、在温度恒定（或变化很小，ΔTj<10℃）时，可以在一定范围内忽略其对参数的影响。
2、在温度变化较大且需要高精度的条件下，可以利用温度曲线对其进行一定程度地修订。具体操作为：①标定初始温度（如T0=25℃）下的监测参数Ig＿sw(pk)(0）。②通过在线监测系统得到的Ig＿sw(pk)(1）和温度传感器测得的温度T1。③对温度进行补偿得到Ig＿sw(pk），如果需要监测精度较高的情况下，需要提前得到相同型号管子和条件下的T-Ig＿sw(pk）曲线，找到温度变化ΔTj引起的ΔIg＿sw(pk）得到Ig＿sw(pk)=Ig＿sw(pk)(0）+ΔIg＿sw(pk）。
4、结束语
针对并联系统中SiCMOSFET单管栅氧老化导致的不均流问题，本文研究了基于栅极振荡电流的SiCMOSFET栅氧老化在线状态监测方法。首先通过分析SiCMOSFET栅氧老化机理和开关过程，建立了栅极开通瞬态等效电路模型，分析了SiCMOS‐FET栅氧老化与栅极振荡电流的逻辑关系。随后设计了模拟SiCMOSFET加速栅氧老化的高压栅偏实验以及双脉冲测试电路，来验证监测参数的准确性与方法的实用性。最后讨论了SiCMOSFET栅氧状态监测参数在不同电压、电流、温度的工况条件下的适用性。
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