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    具備出色穩定性的CoolSiC MOSFET M1H

    作者:時間:2022-06-21來源:英飛凌收藏

    過去幾年,實際應用條件下的閾值電壓漂移(VGS(th))一直是SiC的關注重點。率先發現了動態工作引起的長期應力下VGS(th)的漂移現象,并提出了工作柵極電壓區域的建議,旨在最大限度地減少使用壽命內的漂移。[1]。

    本文引用地址:http://www.me-unplugged.com/article/202206/435379.htm


    引言


    過去幾年,實際應用條件下的閾值電壓漂移(VGS(th))一直是SiC的關注重點。


    率先發現了動態工作引起的長期應力下VGS(th)的漂移現象,并提出了工作柵極電壓區域的建議,旨在最大限度地減少使用壽命內的漂移。[1]。


    經過不斷研究和持續優化,現在,全新推出的CoolSiC? M1H在VGS(th)穩定性方面有了顯著改善,幾乎所有情況下的漂移效應影響,都可以忽略不計。


    現象描述


    VGS(th)漂移現象通常是通過高溫柵極偏置應力測試(DC-HTGS)來進行描述的,該測試遵循JEDEC等標準定義的測試準則進行。


    近期的研究結果表明,與相應的靜態柵極應力測試(DC-HTGS)相比,包括V_(GS(off))<0V在內的正負電源驅動,交流AC柵極應力引起的閾值電壓漂移更高,這一發現為SiC 器件的可靠性帶來了新視角[1,3]。


    圖1顯示了交流(AC)和直流(DC)應力條件下的不同影響。VGS(th) (ΔVth)的數據變化是使用數據表[1]中的最大條件得出的。


    圖中可以看到兩個不同的斜率,第一個對應的是典型的類似直流DC的漂移行為(“直流擬合”);第二個更大的斜率對應的是正負電源的交流AC應力效應(“交流擬合”),也稱柵極開關不穩定性(GSI)。


    1.png

    圖1:連續柵極開關應力期間的漂移:

    VGS,(on)=20V;VGS(off)=?10V;

    Tvj,max=150°C and f=500kHz.[1]


    我們的結論是:開關周次數超過10?的應力條件下,交流漂移是造成應力的主要原因;開關周次數較少時,直流漂移是造成應力的主要原因。


    數據顯示,開關應力會導致VGS(th)隨時間緩慢增加。由于閾值電壓VGS(th)增加,可以觀察到溝道電阻(Rch)的增加。這種現象由等式(1)描述,式中,L是溝道長度,W是溝道寬度,μn是電子遷移率,Cox是柵極氧化層電容,VGS(on)是導通狀態柵極電壓,VGS(th)是器件的閾值電壓[1]。


    1655107765172368.png


    總RDS(on)是由各電阻的總和決定的,即溝道電阻(Rch)、結型場效應晶體管電阻(RJFET)、漂移區的外延層電阻(Repi)和高摻雜SiC襯底的電阻(RSub)。等式(2)描述了總RDS(on)的整個組成。


    因此,VGS(th)的增加會導致溝道電阻略有提高,從而造成RDS(on)提高,以及久而久之產生的導通損耗。


    1655107752986148.png


    柵極開關應力


    為了確保和預測我們的CoolSiC? 在典型開關工作期間電氣參數的長期穩定性,我們開發并采用了一種新的應力測試:柵極開關應力測試(GSS)。該測試可以讓您直接確定電氣參數漂移,這些漂移通常在正負驅動電壓模式下運行(正V(GS,on):導通;負VGS(OFF):關斷)。該測試可以讓開發人員量化上述新的失效機制,因此,是鑒定SiC MOSFET的必要條件。


    GSS測試涵蓋了所有重要的漂移現象,包括在器件正常工作期間發生的漂移現象。除了缺失的負載電流(它本身不會改變我們所觀察到的漂移行為)[3],我們通過保持與典型應用條件相似的柵極開關特性(例如,電壓斜率),盡可能地模擬應用(參見圖2)[1]。為了涵蓋在實際SiC MOSFET應用中非常常見的柵極信號過沖和下沖的潛在影響,我們通過在數據表所允許的最大柵極電壓和最大靜態結溫(Tvj,op)下施加應力,來實現最壞情況。


    4.png

    圖2:頻率f=500kHz時,典型的GSS柵源應力信號。[1]


    在最壞情況下進行測試,可以讓客戶確信自己能夠在整個規格范圍內使用該器件,而不會超過漂移極限。因此,這種方法保證了器件的出色可靠性,同時也便于安全裕度的計算。


    除了VGS(th),柵極漏電流IGSS等其他參數也得到了測量,并在被測硬件上保持一致[1]。


    最壞情況的壽命終止漂移評估及其對應用的影響


    在開發逆變器的過程中,一大任務就是預測設備的使用壽命。因此,必須提供可靠的模型和信息。在各種工作條件下,進行了大量的測試后,我們就能開發出一個預測性的半經驗性模型,該模型描述了閾值電壓隨任務曲線參數的變化,例如:應力時間(tS)、柵極偏置低電平(VGS(off))、柵極偏置高電平(VGS(on)),開關頻率(fsw)和工作溫度(T)(ΔVGS(th) (tS,VGS(off),VGS(on),fsw,T))[3]。


    基于該模型,我們建立了一種評估閾值電壓漂移的方法,使用最壞情況壽命終止曲線(EoAP)來計算相對R(DS(on))漂移。在應用中,以任意頻率運行一定時間,我們可以計算出至EoAP之前的開關周期總數(NCycle)。然后,使用NCycle讀出相對RDS(on)漂移。


    周期數取決于開關頻率和工作時間。典型的硬開關工業應用(例如,太陽能組串逆變器)使用16-50 kHz的開關頻率。使用諧振拓撲的逆變器的開關速度通常超過100kHz。這些應用的目標壽命通常在10-20年,而實際工作時間通常在50%-100%。


    以下示例提供了一個樣品評估:


    ●    目標壽命[年]:20

    ●    實際工作時間[%]:50%=>10年

    ●    實際工作時間[s]:315,360,000s(10年)

    ●    開關頻率[kHz]:48

    ●    周期持續時間[s]:1/開關頻率=0.0000208

    ●    壽命終止時的周次數=~1.52E+13


    導通電壓為18V時,預計25°C時的RDS(on)的相對變化小于6%,175°C時小于3%,見圖3(圖3中的綠點)。


    5.jpg

    圖3:VGS(on)=18V、Tvj,op=25°C、125°C和175°C [2]時的相對RDS(on)變化


    圖4示例基于最近推出的EasyPACK? FS55MR12W1M1H_B11(DC-AC逆變器中的三相逆變橋配置),說明了RDS(on)預測變化的影響[4]。這個例子是在損耗分布中,傳導損耗(Pcon)占比很大的應用。Tvj,op從最初的148°C到150°C的最壞情況EoAP僅上升2K。結果證明,哪怕是使用了20年后,RDS(on)的輕微變化導致的Tvj,op增加也可以忽略不計。


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    圖4.最壞情況EoL評估:Vdc:800V,Irms:18A,fout:50Hz,fsw:50kHz,cos(φ):1,Th=80°C。

    圖中文字:

    Power loss:功率損耗

    Initial point:初始點

    Worst-case EoAP:最壞情況EoAP


    這種方法意味著,最大漂移應當是在所描述的最壞情況下出現的。借助全新的M1H芯片,客戶將能從數據表的規格范圍中,選擇最適用于其應用的參數。柵極信號中的寄生過沖和下沖不會影響漂移,無需從應用的角度考慮。因此,可以節省時間和精力。


    請注意:在控制良好的柵極偏置電平下運行的應用,遠低于數據表的最大限制,例如,+18V/-3V,在相同的開關周期數下,RDS(on)的變化幅度甚至更小。


    結論


    我們通過在各種開關條件下進行長期的測試,研究了在實際應用條件下的閾值電壓特性。我們開發并采用了一種應力測試程序,來確定在現實的應用開關條件下,最壞情況EoAP參數漂移,為我們的客戶提供了可靠的預測模型。


    除了其他關鍵的改進外,最近推出的1200V CoolSiC? MOSFET,即M1H,還顯示出了出色的穩定性,并降低了漂移現象的影響。


    參考文獻


    [1] 應用說明 2018-09


    [2] P. Salmen, M. W. Feil, K. Waschneck, H.Reisinger, G. Rescher, T. Aichinger: 一種新的測試程序,可實際評估 SiC MOSFET 在開關運行中的壽命終止電氣參數穩定性;2021 IEEE 國際可靠性物理研討會(IRPS)(2021 年)


    [3] 英飛凌:白皮書 08-2020:英飛凌如何控制和確保 SiC 基功率半導體的可靠性,第 11–21 頁;


    [4] 數據表 FS55MR12W1M1H_B11




    關鍵詞: 英飛凌 MOSFET

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