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。本发明专利技术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。准确有效。准确有效。
【技术实现步骤摘要】
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
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]功率半导体器件在电力电子
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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]u
GS
＝U
GG
‑
R
G
×
i
G (4)
[0006]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：
[0007](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。
[0008](2)碳化硅MOSFET关断后栅源极电压u
GS
的上升程度取决于短路故障对器件造成的损坏程度。当短路冲击强度导致碳化硅MOSFET的栅极电介质层被完全击穿，则栅源极电压
u
GS
从反偏电压上升至0V。而短路故障的冲击强度与若干外界因素相关(电压、电流、环境温度、短路故障持续时间、短路保护动作时间等)，难以预先估计冲击强度的大小，导致栅源极电压u
GS
上升的程度具有随机性。如图4所示，若短路故障的冲击强度较弱，则对应器件关断后栅源极电压u
GS
的上升程度较为微弱。此时仅依据波形难以准确判断碳化硅MOSFET在短路故障后的损坏情况，同样将造成误判。
[0009](3)现有的传统判定方法依据栅源极电压波形判别碳化硅MOSFET是否发生栅源极短路失效，实质上是一种在线监测方法。在实际应用中，短路故障的发生具有偶然性，若采用现有的方法判定器件的损坏情况，则需要维持日常的在线监测与数据存储运行。将面临在线监测的普遍问题，例如对在线监测设备的运行稳定性要求高、在线监测设备的维护成本高、在线监测的精度要求高等。
[0010]现有技术，如中国专利申请：CN2019109180106，公开号：CN110676189 A，公开一种确定GaN cascode器件失效位置的测试分析方法，对器件的栅极漏电水平Igss进行测量；对器件在关态低漏级电压下的漏级漏电水平Idss@LV进行测量；对器件在关态高漏级电压下的漏电水平Idss@HV进行测量；通过测试结果分析对照表可以确定器件内部的失效位置。
[0011]然而，该现有技术属于半导体芯片的可靠性测试领域，应用于半导体器件制造后的产品测试阶段，并不针对功率半导体在实际工况中的应用。同时也不是通过测量栅极泄漏电流达到限定值I
GSS.N
时对应的栅源极电压U
GSS
，并与针对实际应用的功率器件所设置的栅源极电压阈值U
GSS.N
进行比较实现判定的。
技术实现思路
[0012]针对现有判定方法的上述问题，本专利技术提出了一种基于功率半导体器件的静态参数—栅极泄漏电流I
GSS
判定器件是否发生栅源极失效的方法。利用栅极泄漏电流参数的测量具有准确性和可靠性高的优势，实现了碳化硅MOSFET栅源极失效的准确判别。
[0013]本专利技术采取的技术方案如下：
[0014]一种碳化硅MOSFET短路后栅源极失效判定方法，其特征为：包括如下步骤：
[0015]步骤1：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；
[0016]步骤2：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流过栅极泄漏电流限定值I
GSS.N
时对应的栅源极电压大小U
GSS
；
[0017]功率半导体器件的栅极传导电流密度可用式(1)Fowler
‑
Nordheim公式表示：
[0018]J
FN
＝CE2e
‑
(β/E) (1)
[0019]其中：
[0020][0021][0022]式中E为电场强度，q为电子电荷，m
e
和m
ox
分别为自由空间和氧化物中的电子有效质量，h为普朗克常数，φ0为势垒高度。
[0023]在正常情况下，半导体器件制造厂商提供的数据手册中会注明栅极泄漏电流的限定条件。状态良好的功率半导体器件具有良好的栅源极绝缘性能，当流过最大限定的栅极
泄漏电流I
GSS.N
时，对应的栅源极电压应当不小于本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于功率半导体器件静态参数判定短路后是否失效的方法，其特征为：包括如下步骤：步骤1：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；步骤2：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流过栅极泄漏电流限定值I
GSS.N
时对应的栅源极电压大小U
GSS
；步骤3：采集步骤2的测量结果U
GSS
，将其与针对实际使用的功率半导体类型及型号预设的阈值U
GSS.N
进行比较；步骤4：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，确保及时更换新器件；步骤5：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。2.根据权利要求1所述的一种基于功率半导体器件静态参数判定短路后是否失效的方法，其特征为：所述步骤1进一步包括如下步骤：在电力系统中，当电气设备或线路由于电气短接导致短路故障时，基于电流剧增和电压剧降的继电保护元件即刻动作，保证迅速且可靠地切断电源，避免短路故障带来的冲击造成电气设备损坏或故障范围进一步扩大。3.根据权利要求1所述的一种基于功率半导体器件静态参数判定短路后是否失效的方法，其特征为：所述步骤2进一步包括如下步骤：在系统中的短路保护已动作、主回路已断开之后，启动功率半导体器件的损坏检测电路；在功率半导体器件的栅源极回路接入电源测量单元(Source Measure Unit) —SMU源表,其中“源”为电流源，提供精确的栅极泄漏电流限定值I
GSS.N
；“表”为同步测量电压值的测量仪表，记录下功率半导体器件的栅极流过I
GSS.N
时对应的栅源极电压U
GSS
。4.根据权利要求1所述的一种基于功率半导体器件静态参数判定短路后是否失效的方法，其特征为：所述步骤3进一步包括如下步骤：针对实际应用中使用的功率半导体器件种类及型号设定栅极泄漏电流达到限定值时的栅源极电压阈值U...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭娇阳，孙鹏，张浩然，赵志斌，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：
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