具備出色穩定性的CoolSiC™ MOSFET M1H

引言


過去幾年，實際應用條件下的閾值電壓漂移（VGS(th)）一直是SiC的關注重點。 

英飛凌率先發現了動態工作引起的長期應力下VGS(th)的漂移現象，並提出了工作柵極電壓區域的建議，旨在最大限度地減少使用壽命內的漂移。[1]。 

經過不斷研究和持續優化，現在，全新推出的CoolSiC™ MOSFET M1H在VGS(th)穩定性方面有了顯著改善，幾乎所有情況下的漂移效應影響，都可以忽略不計。

現象描述


VGS(th)漂移現象通常是通過高溫柵極偏置應力測試（DC-HTGS）來進行描述的，該測試遵循JEDEC等標準定義的測試準則進行。 

近期的研究結果表明，與相應的靜態柵極應力測試（DC-HTGS）相比，包括V_(GS(off))<0V在內的正負電源驅動，交流AC柵極應力引起的閾值電壓漂移更高，這一發現為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）應力條件下的不同影響。VGS(th) (ΔVth)的數據變化是使用數據表[1]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的是正負電源的交流AC應力效應（“交流擬合”），也稱柵極開關不穩定性（GSI）。

圖1：連續柵極開關應力期間的漂移：

VGS,(on)=20V;VGS(off)=−10V;

Tvj,max=150°C and f=500kHz.[1]

我們的結論是：開關周次數超過10⁸的應力條件下，交流漂移是造成應力的主要原因；開關周次數較少時，直流漂移是造成應力的主要原因。 

數據顯示，開關應力會導致VGS(th)隨時間緩慢增加。由於閾值電壓VGS(th)增加，可以觀察到溝道電阻（Rch）的增加。這種現象由等式（1）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）、結型場效應電晶體電阻（RJFET）、漂移區的外延層電阻（Repi）和高摻雜SiC襯底的電阻（RSub）。等式（2）描述了總RDS(on)的整個組成。 

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


柵極開關應力

為了確保和預測我們的CoolSiC™ MOSFET在典型開關工作期間電氣參數的長期穩定性，我們開發並採用了一種新的應力測試：柵極開關應力測試（GSS）。該測試可以讓您直接確定電氣參數漂移，這些漂移通常在正負驅動電壓模式下運行（正V(GS,on)：導通；負VGS(OFF)：關斷）。該測試可以讓開發人員量化上述新的失效機制，因此，是鑑定SiC MOSFET的必要條件。 

GSS測試涵蓋了所有重要的漂移現象，包括在器件正常工作期間發生的漂移現象。除了缺失的負載電流（它本身不會改變我們所觀察到的漂移行為）[3]，我們通過保持與典型應用條件相似的柵極開關特性（例如，電壓斜率），儘可能地模擬應用（參見圖2）[1]。為了涵蓋在實際SiC MOSFET應用中非常常見的柵極信號過沖和下沖的潛在影響，我們通過在數據表所允許的最大柵極電壓和最大靜態結溫（Tvj,op）下施加應力，來實現最壞情況。

圖2：頻率f=500kHz時，

典型的GSS柵源應力信號。[1]

在最壞情況下進行測試，可以讓客戶確信自己能夠在整個規格範圍內使用該器件，而不會超過漂移極限。因此，這種方法保證了器件的出色可靠性，同時也便於安全裕度的計算。 

除了VGS(th)，柵極漏電流IGSS等其他參數也得到了測量，並在被測硬體上保持一致[1]。

基於該模型，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之前的開關周期總數（NCycle）。然後，使用NCycle讀出相對RDS(on)漂移。 

周期數取決於開關頻率和工作時間。典型的硬開關工業應用（例如，太陽能組串逆變器）使用16-50 kHz的開關頻率。使用諧振拓撲的逆變器的開關速度通常超過100kHz。這些應用的目標壽命通常在10-20年，而實際工作時間通常在50%-100%。

以下示例提供了一個樣品評估：

導通電壓為18V時，預計25°C時的RDS(on)的相對變化小於6%，175°C時小於3%，見圖3（圖3中的綠點）。

圖3：VGS(on)=18V、Tvj,op=25°C、125°C和175°C [2]時的相對RDS(on)變化

圖4示例基於最近推出的EasyPACK™ FS55MR12W1M1H_B11（DC-AC逆變器中的三相逆變橋配置），說明了RDS(on)預測變化的影響[4]。這個例子是在損耗分布中，傳導損耗（Pcon）占比很大的應用。Tvj,op從最初的148°C到150°C的最壞情況EoAP僅上升2K。結果證明，哪怕是使用了20年後，RDS(on)的輕微變化導致的Tvj,op增加也可以忽略不計。

這種方法意味著，最大漂移應當是在所描述的最壞情況下出現的。藉助全新的M1H晶片，客戶將能從數據表的規格範圍中，選擇最適用於其應用的參數。柵極信號中的寄生過沖和下沖不會影響漂移，無需從應用的角度考慮。因此，可以節省時間和精力。 

請注意：在控制良好的柵極偏置電平下運行的應用，遠低於數據表的最大限制，例如，+18V/-3V，在相同的開關周期數下，RDS(on)的變化幅度甚至更小。

結論

我們通過在各種開關條件下進行長期的測試，研究了在實際應用條件下的閾值電壓特性。我們開發並採用了一種應力測試程序，來確定在現實的應用開關條件下，最壞情況EoAP參數漂移，為我們的客戶提供了可靠的預測模型。 

除了其他關鍵的改進外，最近推出的1200V CoolSiC™ MOSFET，即M1H，還顯示出了出色的穩定性，並降低了漂移現象的影響。