具備出色穩(wěn)定性的CoolSiC MOSFET M1H

過去幾年，實(shí)際應(yīng)用條件下的閾值電壓漂移（VGS(th)）一直是SiC的關(guān)注重點(diǎn)。英飛凌率先發(fā)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)工作引起的長(zhǎng)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。[1]。

引言

過去幾年，實(shí)際應(yīng)用條件下的閾值電壓漂移（VGS(th)）一直是SiC的關(guān)注重點(diǎn)。

英飛凌率先發(fā)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)工作引起的長(zhǎng)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。[1]。

經(jīng)過不斷研究和持續(xù)優(yōu)化，現(xiàn)在，全新推出的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(jì)。

現(xiàn)象描述

VGS(th)漂移現(xiàn)象通常是通過高溫柵極偏置應(yīng)力測(cè)試（DC-HTGS）來進(jìn)行描述的，該測(cè)試遵循JEDEC等標(biāo)準(zhǔn)定義的測(cè)試準(zhǔn)則進(jìn)行。

近期的研究結(jié)果表明，與相應(yīng)的靜態(tài)柵極應(yīng)力測(cè)試（DC-HTGS）相比，包括V_(GS(off))<0V在內(nèi)的正負(fù)電源驅(qū)動(dòng)，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[1,3]。

圖1顯示了交流（AC）和直流（DC）應(yīng)力條件下的不同影響。VGS(th) (ΔVth)的數(shù)據(jù)變化是使用數(shù)據(jù)表[1]中的最大條件得出的。

圖中可以看到兩個(gè)不同的斜率，第一個(gè)對(duì)應(yīng)的是典型的類似直流DC的漂移行為（“直流擬合”）；第二個(gè)更大的斜率對(duì)應(yīng)的是正負(fù)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1：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.[1]

我們的結(jié)論是：開關(guān)周次數(shù)超過10?的應(yīng)力條件下，交流漂移是造成應(yīng)力的主要原因；開關(guān)周次數(shù)較少時(shí)，直流漂移是造成應(yīng)力的主要原因。

數(shù)據(jù)顯示，開關(guān)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致VGS(th)隨時(shí)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(xiàn)象由等式（1）描述，式中，L是溝道長(zhǎng)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(dǎo)通狀態(tài)柵極電壓，VGS(th)是器件的閾值電壓[1]。

總RDS(on)是由各電阻的總和決定的，即溝道電阻（Rch）、結(jié)型場(chǎng)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）。等式（2）描述了總RDS(on)的整個(gè)組成。

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

柵極開關(guān)應(yīng)力

為了確保和預(yù)測(cè)我們的CoolSiC? MOSFET在典型開關(guān)工作期間電氣參數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，我們開發(fā)并采用了一種新的應(yīng)力測(cè)試：柵極開關(guān)應(yīng)力測(cè)試（GSS）。該測(cè)試可以讓您直接確定電氣參數(shù)漂移，這些漂移通常在正負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓模式下運(yùn)行（正V(GS,on)：導(dǎo)通；負(fù)VGS(OFF)：關(guān)斷）。該測(cè)試可以讓開發(fā)人員量化上述新的失效機(jī)制，因此，是鑒定SiC MOSFET的必要條件。

GSS測(cè)試涵蓋了所有重要的漂移現(xiàn)象，包括在器件正常工作期間發(fā)生的漂移現(xiàn)象。除了缺失的負(fù)載電流（它本身不會(huì)改變我們所觀察到的漂移行為）[3]，我們通過保持與典型應(yīng)用條件相似的柵極開關(guān)特性（例如，電壓斜率），盡可能地模擬應(yīng)用（參見圖2）[1]。為了涵蓋在實(shí)際SiC MOSFET應(yīng)用中非常常見的柵極信號(hào)過沖和下沖的潛在影響，我們通過在數(shù)據(jù)表所允許的最大柵極電壓和最大靜態(tài)結(jié)溫（Tvj,op）下施加應(yīng)力，來實(shí)現(xiàn)最壞情況。

圖2：頻率f=500kHz時(shí)，典型的GSS柵源應(yīng)力信號(hào)。[1]

在最壞情況下進(jìn)行測(cè)試，可以讓客戶確信自己能夠在整個(gè)規(guī)格范圍內(nèi)使用該器件，而不會(huì)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(shí)也便于安全裕度的計(jì)算。

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

最壞情況的壽命終止漂移評(píng)估及其對(duì)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(cè)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(jìn)行了大量的測(cè)試后，我們就能開發(fā)出一個(gè)預(yù)測(cè)性的半經(jīng)驗(yàn)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(shí)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)）[3]。

基于該模型，我們建立了一種評(píng)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(jì)算相對(duì)R(DS(on))漂移。在應(yīng)用中，以任意頻率運(yùn)行一定時(shí)間，我們可以計(jì)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(duì)RDS(on)漂移。

周期數(shù)取決于開關(guān)頻率和工作時(shí)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?fù)涞哪孀兤鞯拈_關(guān)速度通常超過100kHz。這些應(yīng)用的目標(biāo)壽命通常在10-20年，而實(shí)際工作時(shí)間通常在50%-100%。

以下示例提供了一個(gè)樣品評(píng)估：

●    目標(biāo)壽命[年]：20

●    實(shí)際工作時(shí)間[%]：50%=>10年

●    實(shí)際工作時(shí)間[s]：315,360,000s(10年)

●    開關(guān)頻率[kHz]：48

●    周期持續(xù)時(shí)間[s]：1/開關(guān)頻率=0.0000208

●    壽命終止時(shí)的周次數(shù)=~1.52E+13

導(dǎo)通電壓為18V時(shí)，預(yù)計(jì)25°C時(shí)的RDS(on)的相對(duì)變化小于6%，175°C時(shí)小于3%，見圖3（圖3中的綠點(diǎn)）。

圖3：VGS(on)=18V、Tvj,op=25°C、125°C和175°C [2]時(shí)的相對(duì)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(yù)測(cè)變化的影響[4]。這個(gè)例子是在損耗分布中，傳導(dǎo)損耗（Pcon）占比很大的應(yīng)用。Tvj,op從最初的148°C到150°C的最壞情況EoAP僅上升2K。結(jié)果證明，哪怕是使用了20年后，RDS(on)的輕微變化導(dǎo)致的Tvj,op增加也可以忽略不計(jì)。

圖4.最壞情況EoL評(píng)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(diǎn)

Worst-case EoAP：最壞情況EoAP

這種方法意味著，最大漂移應(yīng)當(dāng)是在所描述的最壞情況下出現(xiàn)的。借助全新的M1H芯片，客戶將能從數(shù)據(jù)表的規(guī)格范圍中，選擇最適用于其應(yīng)用的參數(shù)。柵極信號(hào)中的寄生過沖和下沖不會(huì)影響漂移，無需從應(yīng)用的角度考慮。因此，可以節(jié)省時(shí)間和精力。

請(qǐng)注意：在控制良好的柵極偏置電平下運(yùn)行的應(yīng)用，遠(yuǎn)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)的變化幅度甚至更小。

結(jié)論

我們通過在各種開關(guān)條件下進(jìn)行長(zhǎng)期的測(cè)試，研究了在實(shí)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(cè)試程序，來確定在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用開關(guān)條件下，最壞情況EoAP參數(shù)漂移，為我們的客戶提供了可靠的預(yù)測(cè)模型。

除了其他關(guān)鍵的改進(jìn)外，最近推出的1200V CoolSiC? MOSFET，即M1H，還顯示出了出色的穩(wěn)定性，并降低了漂移現(xiàn)象的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 英飛凌應(yīng)用說明 2018-09

[2] P. Salmen, M. W. Feil, K. Waschneck, H.Reisinger, G. Rescher, T. Aichinger: 一種新的測(cè)試程序，可實(shí)際評(píng)估 SiC MOSFET 在開關(guān)運(yùn)行中的壽命終止電氣參數(shù)穩(wěn)定性；2021 IEEE 國(guó)際可靠性物理研討會(huì)（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(dǎo)體的可靠性，第 11–21 頁;

[4] 數(shù)據(jù)表 FS55MR12W1M1H_B11