SiC功率器件如何在極端高溫條件下保持穩(wěn)定性能？

隨著DC/DC電源轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)汽車車載充電器(OBC)、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、太陽能逆變器以及牽引逆變器等應(yīng)用對(duì)功率密度的需求日益提高，系統(tǒng)的工作溫度也隨之增加。這需要使用能夠在高達(dá)175°C溫度下安全運(yùn)行的元器件?；趯捊麕Р牧?如碳化硅，SiC)制造的器件滿足了這一要求，并在這些應(yīng)用中越來越受歡迎。

然而，即使是SiC MOSFET，在高溫下也會(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜的行為，這通常歸因于諸如柵極閾值電壓(VGS(th))、導(dǎo)通電阻(RDS(on))、漏源漏電流(IDSS)以及柵源漏電流(IGSS)等關(guān)鍵參數(shù)的微小變化。如果不仔細(xì)考慮這些變化，可能會(huì)導(dǎo)致電力電子系統(tǒng)意外失效。制造商的器件數(shù)據(jù)手冊(cè)通常不會(huì)詳細(xì)說明這些參數(shù)在高溫下的相互依賴性。本文章旨在通過提供設(shè)計(jì)SiC DC/DC電源轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵參數(shù)指南，解決這一不足，確保器件在高達(dá)175°C的溫度下運(yùn)行。

碳化硅的優(yōu)勢(shì)

在高電壓和高溫應(yīng)用中，與傳統(tǒng)硅MOSFET和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)相比，SiC MOSFET具有顯著優(yōu)勢(shì)，使其成為汽車、可再生能源及工業(yè)領(lǐng)域的理想選擇。

工程師通常會(huì)在應(yīng)用條件下測(cè)試器件的性能，并嘗試在考慮所有降額因素的前提下推動(dòng)器件性能達(dá)到極限。熱設(shè)計(jì)是其中一個(gè)重要的限制因素。

Nexperia通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)性能參數(shù)進(jìn)行了全面測(cè)試。圖1(a)顯示了一種典型的雙脈沖測(cè)試設(shè)置，用于測(cè)試器件參數(shù)(如RDS(on)、VGS(th)、IGSS和IDSS)并評(píng)估開關(guān)性能。

使用Keysight 505功率分析儀生成IV曲線。為了在高溫下推動(dòng)轉(zhuǎn)換器運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)首先需要考慮的參數(shù)是器件的RDS(on)。以下章節(jié)將通過比較Nexperia器件與幾家競爭對(duì)手器件的RDS(on)參數(shù)變化，展示Nexperia器件在嚴(yán)格制造工藝控制下的優(yōu)越RDS(on)穩(wěn)定性。圖1顯示了RDS(on)隨溫度變化的情況，并與行業(yè)競爭對(duì)手進(jìn)行了對(duì)比，以了解其差異。圖中，紅線代表Nexperia器件，其RDS(on)增加了38%;而藍(lán)線代表的競爭對(duì)手C和E的器件分別增加了180%以上和210%以上。RDS(on)的增加會(huì)直接導(dǎo)致更高的導(dǎo)通功率損耗，其計(jì)算公式為：

P導(dǎo)通損耗 = I2 × RDS(on) (1)

如果RDS(on)翻倍，導(dǎo)通損耗也將翻倍，這會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)部產(chǎn)生更多熱量，從而使器件更接近其熱極限，并增加失效風(fēng)險(xiǎn)。

表1展示了實(shí)驗(yàn)中對(duì)多個(gè)1200 V、40 mΩ SiC MOSFET的RDS(on)測(cè)量結(jié)果，包括Nexperia及其五個(gè)競爭對(duì)手(競爭對(duì)手A-E)。數(shù)據(jù)表明，在25°C到175°C的溫度范圍內(nèi)，Nexperia的40 mΩ SiC MOSFET的RDS(on)表現(xiàn)出最穩(wěn)定的性能，其增加幅度僅為1.27到1.55倍，低于其他五個(gè)競爭對(duì)手。

從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，高溫下RDS(on)的顯著增加會(huì)極大影響系統(tǒng)的功率損耗和效率(參見圖2中的高溫效率測(cè)量結(jié)果)，從而影響系統(tǒng)的整體可靠性。這種RDS(on)穩(wěn)定性突顯了Nexperia器件在苛刻條件下維持高效率的能力。

圖3(a)展示了RDS(on)在不同溫度下的變化情況，其中x軸為RDS(on)(單位：mΩ)，y軸為從第2百分位到第98百分位的變化百分比。測(cè)試在25個(gè)DUT(測(cè)試設(shè)備)上進(jìn)行，VGS = 15 V，覆蓋的溫度范圍為-55°C到175°C。每條線代表一個(gè)具體溫度的結(jié)果，顯示了RDS(on)的可變性。在較高溫度下，RDS(on)表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性，125°C到175°C的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為1.20 mΩ，確保了在熱應(yīng)力下的一致性能，并降低了功率損耗風(fēng)險(xiǎn)。這種高溫RDS(on)穩(wěn)定性提高了功率效率(如圖2所示)。

第二個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：VGS(th)

對(duì)VGS(th)的嚴(yán)格控制可以實(shí)現(xiàn)不同器件之間的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流共享。圖3(b)詳細(xì)展示了VGS(th)在-55°C到175°C溫度范圍內(nèi)的變化情況，其中x軸為VGS(th)值(單位：mV)，y軸為從第2百分位到第98百分位的變化百分比。每條顏色線代表一個(gè)具體溫度的結(jié)果，清楚地展示了RDS(on)如何隨溫度變化。在175°C測(cè)試中，VGS(th)的標(biāo)準(zhǔn)偏差最低(S = 56.26 mV)，表明其閾值電壓最穩(wěn)定。而在-55°C時(shí)，VGS(th)的變化最大，標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到S = 85.78 mV。

更詳細(xì)的解釋將在完整論文中給出。圖4(a)和(b)展示了對(duì)IDSS和IGSS進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，測(cè)試涵蓋了75個(gè)DUT，并表明了在低溫(-55°C、25°C和125°C以下)與高溫(150°C或175°C)之間的測(cè)試數(shù)據(jù)差異，這主要?dú)w因于漏電流的溫度依賴性。在150°C以下的測(cè)試中，IDSS值非常低(72個(gè)樣本中<200 nA);而在175°C時(shí)，IDSS值在400 nA到800 nA之間，仍在器件額定范圍內(nèi)。同樣地，在175°C測(cè)試中，IGSS值低于10 nA，也在器件額定范圍內(nèi)。

分析動(dòng)態(tài)開關(guān)行為對(duì)評(píng)估器件在175°C下的性能至關(guān)重要。為此，表1中的器件采用雙脈沖配置進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試中使用了數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的柵源電壓和外部柵電阻(RGext)。圖5顯示了Nexperia 40 mΩ器件的典型開啟和關(guān)斷波形。

結(jié)論與未來展望

在高溫條件下(特別是150°C或175°C)，Nexperia的1200 V SiC MOSFET表現(xiàn)出RDS(on)穩(wěn)定性、VGS(th)、IGSS和IDSS的低變化、較低的開關(guān)損耗及更高的DC/DC轉(zhuǎn)換器效率(見圖2)。這種一致性對(duì)于電動(dòng)汽車牽引逆變器、航空航天電源系統(tǒng)、電網(wǎng)、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及其他高溫場景中的性能穩(wěn)定性尤為重要。

未來的工作包括對(duì)17、30、60和80 mΩ，1200 V SiC MOSFET的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)開關(guān)性能及DC/DC轉(zhuǎn)換器效率測(cè)試，以展示其在175°C時(shí)的效率改進(jìn)。目標(biāo)是建立全面的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)集，為這些器件的進(jìn)一步優(yōu)化提供指導(dǎo)，使其更適用于高溫應(yīng)用中對(duì)穩(wěn)定性能、功率效率和可靠性的苛刻需求。