碳化硅MOSFET的短路實驗性能與有限元分析法熱模型的開發(fā)

　　表1總結了測試器件中兩個樣品的實驗結果，從測量結果看，兩個樣品的損耗程度不同。 樣品1的本征柵源電阻為3.3kΩ，除連續(xù)柵極電流吸收異常外，MOSFET的其它功能未受任何影響。相對于標準操作條件，樣品2本征柵源電阻低很多，而柵極吸收電流卻升高。即使開關能量在受損最嚴重的樣品上顯著提高，兩個樣品仍然能夠維持功能正常，如圖3(d)所示。

表1短路實驗最終結果和樣品特性

　　因此，為了解釋失效機理，我們使用Silvaco工具[4]在短路實驗靜態(tài)條件下進行結構模擬，如圖5(a)所示，并且提取了碳化硅結構內部電壓/電流密度分布數(shù)據(jù)，如圖5(b)所示。 在Atlas(用于器件模擬的Silvaco工具)中，F(xiàn)E器件的柵極偏壓最高20V，漏極觸點偏壓最高400V。使用實驗數(shù)據(jù)集微調傳導模型，以便在飽和條件下也能取得適合的閾值電壓或I-V特性。柵極氧化層與碳化硅界面處的狀態(tài)能量密度分布，各向異性遷移率值和電子飽和速度，是在實驗數(shù)據(jù)和模擬輸出之間實現(xiàn)良好匹配的關鍵參數(shù)。 傳導模型可提供在短路實驗期間芯片上耗散功率的精確分布，所以傳導模型微調對建模策略具有非常重要的意義。

圖5 Silvaco工具：(a)模擬的垂直剖面圖 (b)功率分布圖

　　本文提出的建模方法就是，使用Silvaco工具進行結構模擬，根據(jù)模擬輸出的功率分布數(shù)據(jù)，為有限元方法(Comsol Multiphysics[5])物理模型提供隨時間變化的功率分布實驗數(shù)據(jù)。 該模型專門用于研究類似于持續(xù)幾微秒的短路類事件，理解并解釋在短功率脈沖期間碳化硅MOSFET結構內部發(fā)生的情況，同時將碳化硅的熱特性(熱導率和熱容量)視為溫度的函數(shù)。利用這個新模型研究內部結構的熱行為，并評估結和周圍層的溫度。圖6(a)和圖6(b)所示是溫度達到峰值時的熱圖和熱通量，指示了最高溫度所在的位置(圖6(a))以及在整個結構內部熱量是如何傳遞的(圖6(b))。熱分布可發(fā)現(xiàn)短路試驗主要涉及器件的哪些部分，解釋實驗觀察到的失效模式。圖6(c)顯示了不同層的溫度分布與時間的關系：溫度峰值是結構頂層的溫度，與當前已知的臨界值一致^[6]。

圖6(a)3D熱圖，(b)熱通量和(c)短路期間的溫度分布。

　　結論

　　本文創(chuàng)建的有限元熱模型考慮到了MOSFET的物理結構和試驗數(shù)據(jù)。該建模方法能夠估算在短功率脈沖特別是短路實驗條件下，結和周圍層中的溫度分布情況，解釋了實驗觀察到的失效現(xiàn)象。

　　鑒于沒有設備能夠準確地檢測到如此短暫的脈沖在被測器件上產(chǎn)生的溫度上升，并且典型熱模型是為量產(chǎn)封裝或系統(tǒng)器件開發(fā)的，無法有效地用于分析此類事件，因此，試驗結果對建模策略實施具有非常重要的意義。

　　致謝

　　本文部分實驗是在ECSEL JU項目WInSiC4AP(高級電源寬帶間隙創(chuàng)新SiC)的框架內進行的，授權協(xié)議編號：737483

　　參考文獻

　　[1] Y. Shi, at al., Switching Characterization and Short-Circuit Protection of 1200 V SiC MOSFET T-Type Module in PV Inverter Application, IEEE Trans. on Ind. Elec., vol. 64, no. 11, pp.: 9135-9143, Nov. 2017.

　　[2] G. Romano, at al., A Comprehensive Study of Short-Circuit Ruggedness of Silicon Carbide Power MOSFETs, IEEE J. Em. and Sel. Top. In Power Elec., vol. 4, no. 3, pp.978-986.

　　[3] L.Ceccarelli at al., Compact Electro-Thermal Modeling of a SiC MOSFET Power Module under Short-Circuit Conditions, IECON 2017, pp: 4879-4884.

　　[4] ATLAS User’s Manual, SILVACO, Inc.

　　[5] Comsol Multiphysics? User’s Guide.

　　[6] Z.Wang at al., Temperature-Dependent Short-Circuit Capability of Silicon Carbide Power MOSFETs, IEEE Trans. On Power Electr., Vol. 31, no. 2, Feb. 2016