直流固态断路器（SSCB）中SiC MOSFET与Si IGBT老化行为及机理研究

作者及发表信息
本研究由浙江万里学院信息与智能工程学院的Jiajia Song（通讯作者）、河海大学人工智能与自动化学院的Bo Zhang，以及西安交通大学电气工程学院的Yanfeng Song共同完成，发表于*IET Electric Power Applications*期刊，2025年接受并发表。研究得到江苏省输配电装备技术重点实验室自主研究项目（2023JSSPD11）的资助。

学术背景
随着直流电力系统在电动航空、微电网等领域的快速发展，高性能短路保护需求日益突出。传统机械断路器（MCB）因响应速度慢（毫秒级）和电弧问题难以满足要求，而基于功率半导体（如碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）和硅绝缘栅双极晶体管（Si IGBT））的固态断路器（SSCB）凭借微秒级中断能力、无电弧等优势成为研究热点。然而，这两种器件在重复过载工况下的长期可靠性尚不明确。本研究旨在对比SiC MOSFET与Si IGBT在重复过电流循环中的老化行为，揭示其退化机理，为SSCB设计提供可靠性依据。

研究流程
1. 实验平台设计
- 测试系统：搭建400V直流电源、1500μF电容储能、30μH空气电感模拟系统电感的脉冲过电流平台，集成保护电路（1200V/110A SiC MOSFET）确保安全。
- 被测器件（DUT）：选用Cree C2M0080120D SiC MOSFET（1200V/24A）与IKW25N120T Si IGBT（1200V/25A），采用TO-247-3封装。
- 控制与监测：STM32F4 MCU精确控制驱动信号，TLP250光耦隔离，20D751K MOV实现电压钳位。

1. 单次过电流耐受测试

   • 方法：逐步增加脉冲宽度直至器件失效，记录失效电流与时间。
     
   • 结果：SiC MOSFET在23μs/166A时失效，Si IGBT在17μs/205A时失效。前者因电流饱和特性延长耐受时间，后者因线性电流上升更快失效。
     

2. 重复过电流老化实验

   • 条件：SiC MOSFET（20μs脉冲）、Si IGBT（16μs脉冲），循环250次。
     
   • 监测参数：栅源电压（Vgs）、饱和电流（Isat）、导通压降。
     
   • 结果：SiC MOSFET的Vgs下降3.3V，Isat降低45.2A，导通压降显著增加；Si IGBT动态性能几乎无退化。
     

3. TCAD仿真分析

   • 模型构建：基于真实器件结构建立单细胞模型，耦合载流子输运、碰撞电离、自热等效應。
     
   • 仿真发现：
     
     • SiC MOSFET：失效源于栅极下方P-well区域的单一热点（峰值温度~1000K），导致寄生BJT闩锁（latch-up）引发热失控。
       
     • Si IGBT：形成两个热点（栅极附近与缓冲层-漂移区界面），峰值温度分别为500K与400K。电场“抬升效应”（field lifting）分散了热应力，解释了其长期稳定性。
       

主要结果与逻辑关系
- 单次测试证实SiC MOSFET因饱和电流特性耐受时间更长，但重复实验显示其栅极相关参数退化严重，而Si IBT表现稳定。
- 仿真结果揭示了退化机理的差异：SiC MOSFET的局部高热应力集中导致栅极老化，而Si IGBT的双热点分布缓解了局部损伤。这一发现将电热行为与长期可靠性直接关联，为后续优化设计提供了物理依据。

结论与价值
1. 科学价值：首次系统对比了SiC与Si器件在SSCB应用中的老化行为，阐明了热分布差异对可靠性的决定性影响。
2. 应用价值：
- SiC MOSFET：适合单次高过载场景（如航空），但需优化散热以提升循环寿命。
- Si IGBT：在需重复操作的微电网等场景中更具优势。
3. 方法论贡献：结合实验与高精度TCAD仿真，为功率器件的可靠性评估提供了新范式。

研究亮点
1. 创新发现：揭示了Si IGBT的“电场抬升效应”及其对热分布的调控作用。
2. 技术突破：自主设计的脉冲过电流平台支持高精度重复应力测试。
3. 跨学科意义：融合电力电子与半导体物理，为器件-系统协同设计提供理论支撑。

其他价值
研究数据未公开，但实验方法细节（如MOV选型、驱动电路参数）可为同行复现提供参考。文献对比表（表1）汇总了现有SSCB原型的性能参数，为领域研究提供了基准数据。