具備出色穩(wěn)定性的CoolSiC? MOSFET M1H

/ 引言 /

過去幾年，SiC MOSFET在實際應(yīng)用條件下的閾值電壓漂移（VGS(th)）一直是研究人員關(guān)注的重點。英飛凌率先發(fā)現(xiàn)了動態(tài)工作引起的長期應(yīng)力下VGS(th)的漂移現(xiàn)象，并提出了工作柵極電壓區(qū)域的建議，旨在最大限度地減少使用壽命內(nèi)的漂移。經(jīng)過不斷研究和持續(xù)優(yōu)化，現(xiàn)在，英飛凌全新推出的增強型CoolSiC MOSFET M1H在VGS(th)穩(wěn)定性方面有了顯著改善，幾乎所有情況下的漂移效應(yīng)影響，都可以忽略不計。

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SiC MOSFET的導通電阻

SiC MOSFET總導通電阻RDS(on)是由一系列電阻總和決定的，即溝道電阻（Rch）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管電阻（RJFET）、漂移區(qū)的外延層電阻（Repi）和高摻雜SiC襯底的電阻（RSub）。

其中，溝道電阻Rch可以由下式描述。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(tài)柵極電壓，VGS(th)是器件的閾值電壓。

從此式可以看出，VGS(th)的增加會導致溝道電阻提高，從而造成RDS(on)升高，久而久之導通損耗也會因此上升。

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閾值電壓漂移現(xiàn)象

閾值電壓漂移是一直困擾SiC MOSFET設(shè)計的問題。SiC MOSFET的柵極氧化層和SiC-SiO2的界面缺陷，要遠大于相應(yīng)的Si器件。這些缺陷在應(yīng)用中可能成為捕獲電子的陷阱，電子在柵極氧化層中日積月累會造成閾值電壓的升高。英飛凌新推出的增強型CoolSiC M1H產(chǎn)品系列通過改善柵氧化層的設(shè)計盡可能規(guī)避了閾值電壓漂移帶來的風險。

靜態(tài)電壓DC柵極應(yīng)力，和動態(tài)電壓AC柵極應(yīng)力，都會引起不同程度的閾值電壓漂移現(xiàn)象。靜態(tài)電壓引起的VGS(th)漂移現(xiàn)象通常通過高溫柵極偏置應(yīng)力測試（DC-HTGS）來評估，該測試遵循JEDEC等相關(guān)測試準則。

近期的研究結(jié)果表明，與靜態(tài)柵極應(yīng)力相比，包括V_(GS(off))<0V在內(nèi)的正負電源驅(qū)動，交流AC柵極應(yīng)力引起的閾值電壓漂移更高，這一發(fā)現(xiàn)為SiC MOSFET器件的可靠性帶來了新視角。

圖2顯示了交流（AC）和直流（DC）應(yīng)力對閾值電壓的不同影響。VGS(th)(ΔVth)的數(shù)據(jù)變化是使用數(shù)據(jù)表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(yīng)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(yīng)的是正負電源的交流AC應(yīng)力效應(yīng)（“交流擬合”），也稱柵極開關(guān)不穩(wěn)定性（GSI）。

圖2：連續(xù)柵極開關(guān)應(yīng)力期間的漂移：

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

Tvj,max=150°C and f=500kHz.

我們的結(jié)論是：開關(guān)周次超過10?的條件下，交流漂移是造成閾值變化的主要原因；開關(guān)周次數(shù)較少時，直流漂移是造成閾值變化的主要原因。

數(shù)據(jù)顯示，柵極開關(guān)應(yīng)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。

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柵極開關(guān)應(yīng)力測試（GSS）

為了確保CoolSiC MOSFET在典型開關(guān)工作期間電氣參數(shù)的長期穩(wěn)定性，我們開發(fā)并采用了一種新的應(yīng)力測試：柵極開關(guān)應(yīng)力測試（GSS）。該測試在正負驅(qū)動電壓模式下進行（正V(GS,on)：導通；負VGS(OFF)：關(guān)斷）。該測試可以讓開發(fā)人員直接確定電氣參數(shù)的漂移情況，因此，是鑒定SiC MOSFET性能的必要條件。

GSS測試涵蓋了所有重要的漂移現(xiàn)象。除了缺少負載電流（本身不會改變我們所觀察到的漂移行為），其他條件與典型應(yīng)用相似，如相似的柵極開關(guān)電壓斜率特性（參見圖2）。為了涵蓋在實際SiC MOSFET應(yīng)用中非常常見的柵極信號過沖和下沖的潛在影響，我們使用數(shù)據(jù)表所允許的最大柵極電壓（-10V~+20V）和最大靜態(tài)結(jié)溫（Tvj,op=175℃）施加應(yīng)力，來觀察最壞情況下的結(jié)果。

圖3：頻率f=500kHz時，

典型的GSS柵源應(yīng)力信號。

在最壞情況下進行測試，可以讓客戶確信自己在整個規(guī)格書范圍內(nèi)使用該器件，也不會超過漂移極限。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。

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最壞情況的壽命終止漂移評估及其對應(yīng)用的影響

在開發(fā)逆變器的過程中，一大任務(wù)就是預(yù)測設(shè)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(fā)出一個預(yù)測性的半經(jīng)驗性模型，該模型描述了閾值電壓隨任務(wù)曲線參數(shù)的變化，例如：應(yīng)力時間（tS）、柵極偏置低電平（VGS(off)）、柵極偏置高電平（VGS(on)），開關(guān)頻率（fsw）和工作溫度

（T）（ΔVGS(th)(tS,VGS(off),VGS(on),fsw,T)）。

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(yīng)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(guān)周期總數(shù)（NCycle）。然后，使用NCycle讀出相對RDS(on)漂移。

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

下面基于逆變器典型的應(yīng)用工況，提供了一個樣品壽命評估案例：

目標壽命[年]：20

實際工作時間[%]：50%=>10

實際工作時間[s]：315,360,000s(10年)

開關(guān)頻率[kHz]：48

周期持續(xù)時間[s]：1/開關(guān)頻率=0.0000208

壽命終止時的周次數(shù)=~1.52E+13

當?shù)竭_預(yù)期目標壽命時，導通電壓為18V時，預(yù)計25°C時的RDS(on)的相對變化小于6%，175°C時小于3%，見圖4（圖4中的綠點）。

圖4：VGS(on)=18V、Tvj,op=25°C、125°C和175°C 時的相對RDS(on)變化

圖5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(yù)測變化的影響。在這個例子中，導損耗（Pcon）占比很大比例。最壞情況EoAP下，Tvj,op從最初的148°C上升到150°C，僅上升了2度。結(jié)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。

圖5.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

這個例子意味著，借助全新的M1H芯片，只要將在柵極信號的寄生過沖和下沖控制在數(shù)據(jù)表的規(guī)格范圍中，驅(qū)動電壓的取值便不會影響閾值漂移。M1H拓展了驅(qū)動負壓的取值范圍，之前M1的CoolSiC芯片需要根據(jù)開關(guān)頻率及預(yù)期壽命計算負壓取值，則M1H負壓取值是-10V~0V的矩形窗口?？蛻魺o需考慮驅(qū)動負壓取值對閾值漂移的影響，只需要考慮驅(qū)動電壓是否能電性能的需求，從而可以節(jié)省大量時間和精力。

請注意：在控制良好的應(yīng)用中的柵極偏置電平，會遠低于數(shù)據(jù)表的最大限制，例如，+18V/-3V，在相同的開關(guān)周期數(shù)下，RDS(on)的變化幅度更小。

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結(jié)論

我們通過在各種開關(guān)條件下進行長期的測試，研究了在實際應(yīng)用條件下的閾值電壓特性。我們開發(fā)并采用了一種應(yīng)力測試程序，來確定在現(xiàn)實的應(yīng)用開關(guān)條件下，最壞情況EoAP參數(shù)漂移，為客戶提供可靠的預(yù)測模型。

英飛凌最近推出的1200V CoolSiC MOSFET，即M1H，顯示出了出色的穩(wěn)定性，并降低了閾值漂移現(xiàn)象對壽命和損耗的影響，拓展了柵極電平取值范圍，為設(shè)計工作提供了極大便利。