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浅谈电力电子中SiC功率器件的可靠性
碳化硅 (SiC) 是一种宽带隙 (WBG) 半导体材料，与硅 (Si) 相比，它具有多种优势，例如最大电场更高、导通电阻更低、开关速度更快、最大允许结工作温度更高。在 1.2 kV - 1.7 kV 电压范围内，SiC 功率器件有望取代 Si 绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，用于高效率、高工作温度和/或减小体积的应用。特别是，SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) - 电压控制且常关断 - 是首选器件，因为它易于在使用 Si IGBT 的设计中实现。在这项工作中，研究了 SiC 器件的可靠性，特别是 SiC MOSFET 的可靠性。首先，研究了并联两个分立 SiC MOSFET 的可能性，并通过静态和动态测试进行了验证。发现并联连接没有问题。其次，通过长期测试研究了 SiC MOSFET 体二极管的阈值电压和正向电压的漂移。还发现这些可靠性方面没有问题。第三，通过对标准模块的寄生电感建模以及这些电感对栅极氧化物的影响，讨论了封装对芯片可靠性的影响。该模型显示了杂散电感和寄生元件的不平衡，这对高速开关来说是个问题。对湿度对封装在同一标准封装中的 SiC MOSFET 芯片和 SiC 肖特基芯片结端的影响进行的长期测试表明，一些位于户外的模块会过早退化。然后，通过实验和模拟研究了三种不同类型的 1.2 kV SiC 开关器件（双极结型晶体管、结型场效应晶体管和 MOSFET）的短路行为。对每个器件进行详细的电热分析，以支持在故障期间快速关闭器件的必要性。得出了坚固、快速的短路保护设计指南。对于每个器件，都设计、构建了一个短路保护驱动器，并通过实验进行了验证。研究了使用 SiC MOSFET 设计无二极管转换器的可能性，重点是通过体二极管进行浪涌电流测试。发现的故障机制是 npn 寄生双极晶体管的触发。最后，进行了生命周期成本分析 (LCCA)，结果表明在现有的 IGBT 设计中引入 SiC MOSFET 具有经济意义。事实上，由于效率更高，初期投资在后期可以节省。此外，可靠性也得到了提高，从风险管理的角度来看，这是有益的。虽然初始转换器成本高出 30%，但采用 SiC MOSFET 的转换器在 20 年内的总投资大约低 30%。关键词：碳化硅、金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)、结型场效应晶体管 (JFET)、双极结型晶体管 (BJT)、可靠性、故障分析、可靠性测试、短路电流、湿度、谐振转换器、串联谐振转换器 (SLR)、基极驱动电路、栅极驱动电路、生命周期成本分析 (LCCA)。
3.3-kV SIC MOSFET性能和通道长度相关的短路能力
1俄亥俄州立大学，俄亥俄州哥伦布，俄亥俄州，美国，xing.174@osu.edu 2基因半导体公司，美国弗吉尼亚州斯特林市，弗吉尼亚州斯特林，ranbir.singh@genesicsemi.com 3 sandia国家实验室，美国新罕布什尔州阿尔巴克基，美国，美国，satcitt@sandia.gov--- 5-A SIC MOSFET由基因制造。涉及静态特征和短路可持续能力。在不同的门电压下以2.2 kV的排水偏置探索它们的饱和电流。在2.2 kV和18-V门电压的排水电压下测量两种设备的短路承受时间。将短路测试结果与来自四个供应商的1.2 kV SIC MOSFET进行了比较。测试结果表明，在SC事件中，通道长度和较高电压等级的SIC MOSFET具有更长的持续时间。此外，开发了短通道设备的设备模型。所有测试均在室温下进行。简介和动机 - 中型电压宽带隙（WBG）半导体大于3 kV对于功率转换应用具有吸引力，以提高性能。尽管这些设备中的大多数仍在出现，但价格明显较低，并且很容易从基因上获得设备。需要评估这些设备的性能和可靠性，以确保将来会有大量的市场吸引力。在本文中，评估了新一代3.3-kV，5-A SIC MOSFET的基因。根据测试结果开发了香料模型。SC测试的电路图如图4。与针对相似设备的静态和动态评估的先前报告相比，在这种情况下，有两种具有不同通道长度的设计类型。结果和意义 - 第一象限I-V曲线和阈值电压如图1-2所示。在其排水量泄漏电流，闸门源泄漏电流和电容中没有明显差异。如图3所示，测量额定电压（2.2 kV）和三个不同的栅极电压下的饱和电流。最初设置了2.2-KV，18-V v g„的SCWT测量。A 1-1.TS增量。图5-6中显示了每个回合的设备故障波形和SC电流。从四个不同供应商的1.2 kV SIC MOSFET也以额定电压（0.8 kV）和18-V V GS的2/3进行测量。比较图如图7所示。与短通道设备相比，长通道设备的RDSON有1.23倍的RDSON，0.49个时间ID（SAT），18-V V g„和1.4倍SCWT。对于诱导设备故障的脉冲，短通道设备在5范围内消散了约900 MJ，而长通道设备在7 TTS内消散了799 MJ。由于两个设备的模具尺寸几乎相同，因此具有较大SC能量的短通道设备比长通道设备更早。将V GS拉到零后，这两个设备都失败。这种故障机制可以是通过设备的熔融铝穿透[2]。与1.2 kV设备相比，3.3-kV脱离显示更长的SCWT。由于末端电容没有差异，因此仅针对短通道设备执行动态评估，如图8所示。在2.4-kV DC电压和6-A I DS电流时，打开损失为850 TD，为25 kV/ps，关闭损耗为150 µJ，为53 kV/ias。用于香料建模零件，使用级别1，级别2和降压电荷模型[3]（图9）。拟合结果表明，降压电荷模型更适合这种中电压功率SIC MOSFET。车身二极管特性和末端电容也被建模并在图10中显示。参考 - [1] H. Wen，J。Gong，Y。Han和J. Lai，“ 3.3 kV 5 A SIC MOSFET的表征和评估，用于固态变压器应用”，2018年亚洲能源，电力和运输电气化会议（APTICERAIGT），2018。[2] K. Han，A。Kanale，B。J。Baliga，B。Ballard，A。Morgan和D. C. Hopkins，“ 1.2KV 4H-SIC MOSFETS和JBSFETS和JBSFETS的新短路故障机制”，2018 IEEE第6次IEEE第6届宽带电源设备和应用程序（WIPDA）（WIPDA）的第6届研讨会，2018年。[3] N. Arora，“ VLSI电路模拟的MOSFET模型”，计算微电子学，1993。