适用于SiC MOSFET的漏源电压积分自适应快速短路保护电路研究

SiC MOSFET因其高击穿电压、高开关速度、低导通损耗等性能优势而被广泛应用于各类电力电子变换器中。然而,由于其短路耐受时间仅为2~7μs,且随母线电压升高而缩短,快速可靠的短路保护电路已成为其推广应用的关键技术之一。为应对不同母线电压下的Si C MOSFET短路故障,文中提出一种基于漏源电压积分的自适应快速短路保护方法(drain-sourcevoltageintegration-basedadaptivefast short-circuit protection method,DSVI-AFSCPM),研究所提出的DSVI-AFSCPM在硬开关短路(hardswitchingfault,HSF)和负载短路(fault under load,FUL)条件下的保护性能,进而研究不同母线电压对DSVI-AFSCPM的作用机理。同时,探究Si CMOSFET工作温度对其响应速度的影响。最后,搭建实验平台,对所提出的DSVI-AFSCPM在发生硬开关短路和负载短路时不同母线电压、不同工作温度下的保护性能进行实验测试。实验结果表明,所提出的DSVI-AFSCPM在不同母线电压下具有良好的保护速度自适应性,即母线电压越高,短路保护速度越快,并且其响应速度受Si CMOSFET工作温度影响较小,两种短路工况下工作温度从25℃变化到125℃,短路保护时间变化不超过90 ns。因此,该文为Si CMOSFET在不同母线电压下的可靠使用提供一定技术支撑。

高压大功率SiC MOSFETs短路保护方法

碳化硅(SiC)MOSFETs短路承受能力弱,研究其短路保护方法成为保障电力电子设备安全运行的重要课题。现有方法大多围绕低压小功率SiC MOSFETs,然而随着电压和功率等级的提升,器件特性有所差异,直接套用以往设计难以实现高压大功率SiC MOSFETs的快速、可靠保护。该文首先详细研究了几种常用短路检测方法;其次基于高压大功率SiC MOSFETs器件特性,深入对比分析了不同短路检测方法的适用性,提出一种阻容式漏源极电压检测和栅极电荷检测相结合的短路保护方法;最后搭建了实验平台验证所提方法的可行性。结果表明,提出的方法在硬开关短路故障(hard switching fault,HSF)下,保护响应时间缩短了1.4μs,短路能量降低了62.5%;且能可靠识别负载短路故障(fault under load,FUL)。

一种SiC MOSFET栅氧界面缺陷的POA优化工艺

栅氧界面缺陷严重影响SiC MOSFET性能。开发了一种NO氧化后退火(POA)优化工艺,采用氮、氢、氧、氯四种元素组合钝化工艺,实现对SiC MOSFET栅氧界面缺陷的抑制。通过X射线光电子能谱(XPS)、二次离子质谱(SIMS)和电学测试,对工艺优化前后的SiC MOSFET栅氧界面缺陷类型及器件电学特性进行了分析。测试结果表明,采用传统NO POA工艺的SiC MOSFET退火后在栅氧化层和栅氧界面中存在大量缺陷,尤其是C相关缺陷,影响器件栅氧的绝缘特性。POA优化工艺对SiC MOSFET栅氧界面缺陷具有明显的抑制作用,可极大地提高N元素对栅氧界面缺陷的钝化效果,并且抑制了O空位的形成,进而提升了器件的可靠性和迁移率,降低了界面态密度,对器件性能起到了较好的优化效果。

Trench型N-Channel MOSFET低剂量率效应研究

基于抗辐射100V Trench型N-Channel MOSFET开展了不同剂量率的总剂量辐射实验并进行了分析,创新性提出了器件随低剂量率累积以及不同偏置状态下的变化趋势和机理,给出了器件实验前后的转移曲线和直流参数,进行了二维数值仿真比较,证明了实验和仿真的一致性。研究表明:随高剂量率的剂量增加,器件阈值电压(V_(TH))发生了明显负向漂移现象,导通电阻(R_(DSON))出现5%左右的降低,击穿电压(BV_(DS))保持基本不变;低剂量率下总剂量效应与高剂量率有明显不同,阈值电压漂移量减小,同时出现正向漂移现象;此时导通电阻(R_(DSON))和击穿电压(BV_(DS))较高剂量率变化量进一步下降。研究认为,低剂量率下器件界面缺陷电荷增加变多,使得阈值电压的漂移方向发生改变,同时低剂量率实验周期是高剂量率的500倍,退火效应也较高剂量率的明显,导致器件参数辐射前后差异性减小。

MOSFET输出电容对CLLLC谐振变换器模型的优化

在CLLLC谐振变换器基波等效建模方法中,未虑及变压器二次电流为零及死区时间内MOSFET输出电容对输出侧H桥桥臂中点电压的影响,当开关频率低于谐振频率(欠谐振)时,变换器输出侧H桥桥臂中点电压模型的准确性有待进一步提高。该文通过解析变换器欠谐振区域模型准确度较低的成因,得到变压器二次电流为零及死区时间内MOSFET输出电容电压方程,对基波等效建模方法进行了更为深入的研究,提出了状态变量(输出侧H桥桥臂中点电压、变压器二次电流)与变换器增益的优化计算方法。该方法计算式中包含开关频率、谐振频率、输出电压和MOSFET输出电容的信息,减小了状态变量稳态值求解误差,使等效输出负载与谐振腔参数更加准确,解决了欠谐振时变换器输出侧H桥桥臂中点电压模型精度相对较低的问题。最后,搭建CLLLC谐振变换器电路仿真模型与实验系统对所提方法进行验证,结果验证了该文理论分析的正确性。

SiC MOSFET开关瞬态解析建模综述

在评估和优化半导体器件开关瞬态特性领域,解析模型因具有简单、直观、应用便捷等优点得到广泛研究。相较同等功率等级的硅基功率器件,碳化硅(silicon carbide,SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)可以应用于更高开关速度,其开关瞬态特性更为复杂,开关瞬态解析建模也更加困难。该文总结现有的针对SiC MOSFET与二极管换流对的开关瞬态解析建模方法,在建模过程中依次引入各种简化假设,按照简化程度由低到高的顺序,梳理解析建模的逐步简化过程。通过对比,评估各模型的优缺点以及适用场合,对其中准确性、实用性都较强的分段线性模型进行详细介绍;之后,对开关瞬态建模中关键参数的建模方法进行总结与评价;最后,指出现有SiC MOSFET开关瞬态解析模型中存在的问题,并对其未来发展给出建议。

漏源电压对SiC MOSFET阈值电压准确测量影响的研究

相较于Si器件,SiC MOSFET近界面氧化物陷阱区域更广,界面态陷阱密度高出2个数量级,大量陷阱不断俘获或释放电荷,导致阈值电压(Vth)随时间波动较大,因而Vth的准确重复测量成为难题。标准中阈值电压测量采用预处理的方法,保证每次测量时陷阱电荷状态的一致性,但标准中未考虑漏源电压影响预处理填充后的陷阱状态,导致阈值电压测试误差。针对该问题,首先通过测量不同漏源电压脉冲影响下的转移曲线,显示不同源漏电压对阈值电压的影响;然后,基于瞬态电流法分析了漏源电压对陷阱电荷状态的影响;进而,分析了漏源电压影响陷阱的机理;最后对比了不同漏源电压对阈值电压测量的影响。实验表明,漏源电压影响栅漏间电场正负,进而影响陷阱填充或释放电荷,导致阈值电压漂移。测量阈值电压时使用较小漏源电压可提高测量准确性,减小可靠性实验由测试因素造成的误差。

SiC MOSFET高温栅氧可靠性研究

碳化硅SiC(silicon carbide)具有优良的电学和热学特性,是一种前景广阔的宽禁带半导体材料。SiC材料制成的功率MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)非常适合应用于大功率领域,而高温栅氧可靠性是大功率MOSFET最需要关注的特性之一。通过正压高温栅偏试验和负压高温栅偏试验对比了自研SiC MOSFET和国外同规格SiC MOSFET的高温栅氧可靠性。负压高温栅偏试验结果显示自研SiC MOSFET与国外SiC MOSFET的阈值电压偏移量基本相等,阈值电压偏移量百分比最大相差在4.52%左右。正压高温栅偏试验的结果显示自研SiC MOSFET的阈值电压偏移量较小,与国外SiC MOSFET相比,自研SiC MOSFET的阈值电压偏移量百分比最大相差11%。自研器件占优势的原因是在SiC/SiO2界面处引入了适量的氮元素,钝化界面缺陷的同时,减少了快界面态的产生,使总的界面态密度被降到最低。

SiC MOSFET驱动特性及器件国产化后的影响分析

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管SiC MOSFET(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)作为一种新型、广泛应用的开关器件,在实际应用中具有更快的开关速度和更低的器件损耗,可以提高变换器的效率,体现更好的性能。针对SiC MOSFET驱动特性,分析寄生参数对其的影响;搭建双脉冲实验平台,分析栅源电压与SiC MOSFET导通时间的关系;针对现有国产SiC MOSFET存在的不足之处,基于搭建的实验平台及其他电源产品,对SiC MOSFET进行国产化器件替代后导通时间、驱动损耗及负压幅值变化的相关分析。

一种改进型抑制SiC MOSFET桥臂串扰的门极驱动设计

针对传统驱动中SiC MOSFET在高开关频率下其寄生参数造成的桥臂串扰更加严重,而现有抑制串扰驱动电路多以增加开关损耗、增长开关延时和增加控制复杂度为代价的问题,根据降低串扰产生过程中驱动回路阻抗的思路,提出1种在栅源极间增加PNP三极管串联二极管和电容的新型有源米勒钳位门极驱动设计,分析其工作原理,并对改进驱动电路并联电容参数进行计算设计;搭建直流母线电压为300 V的同步Buck变换器双脉冲测试实验平台,分别与传统串扰抑制电路、典型串扰抑制电路的正负向串扰电压尖峰抑制效果和开通关断速度进行对比分析。实验结果表明,所提串扰抑制驱动电路正负向电压尖峰分别比传统和典型串扰抑制电路降低了80%和40%,同时减少了32%的器件开关延时。

动态高温反偏应力下的SiC MOSFET测试平台及其退化机理研究

为研究SiC MOSFET在动态漏源应力下的退化机理,开发了一种具有dVds/dt可调功能、最高可达80 V/ns的动态反向偏置测试平台。针对商用SiC MOSFET进行动态高温反偏实验,讨论高电压变化率的动态漏源应力对SiC MOSFET电学特性的影响。实验结果显示,器件的阈值电压和体二极管正向导通电压增加,说明器件JFET区上方的栅氧层和体二极管可能发生了退化。通过Sentaurus TCAD分析了在高漏源电压及高电压变化率下平面栅型SiC MOSFET的薄弱位置,在栅氧层交界处和体二极管区域设置了空穴陷阱,模拟动态高温反偏对SiC MOSFET动静态参数的影响。

一种低耦合电容的高压SiC MOSFET驱动隔离电源设计

高压SiC MOSFET更快的电压变化率dv/dt,导致其驱动遭受更严重的共模干扰,而现有高隔离电压驱动电源大多又存在耦合电容高、共模瞬态抗扰度(CMTI)能力弱、转换效率低等问题,因此该文设计一种兼具高隔离电压、高转换效率的低耦合电容驱动隔离电源。首先,基于有源钳位反激变换器,提出一种驱动隔离电源耦合电容等效简化解析模型,并通过仿真、实验验证解析模型可行性;其次,基于该模型分析耦合电容影响因素及其优化方法,为低耦合电容的驱动电源设计提供参考;最后,通过实验评估所提低耦合电容高压SiC MOSFET驱动隔离电源性能。结果表明,该文驱动隔离电源额定转换效率约80%,工频耐压高达18 kV,且耦合电容不足2 pF,CMTI能力强。

高速SiC-MOSFET叠层封装结构设计及性能评估

作为脉冲系统的核心部件,开关承担着脉冲成形、功率调制等重要作用,开关通断速度往往决定脉冲上升时间,高速开关是纳秒短脉冲形成的关键。提出一种高速SiC-MOSFET叠层封装结构,整体布局无引线、无外接,具有极低寄生电感。开展了电磁场仿真研究,揭示了脉冲形成过程中封装多介质界面电磁场分布规律,明确了封装结构电磁薄弱环节,为进一步绝缘优化提供指导。搭建双脉冲测试平台,对研制的SiC-MOSFET叠层封装开关与同芯片商用TO-263-7封装开关的动态性能进行测试。结果表明,大电流工况下,所提封装电流开通速度提升48%,关断速度提升50%,开通损耗降低54.6%,关断损耗降低62.8%,实验结果验证了所提叠层封装结构对开关动态性能的改善。

水平结构氢终端金刚石MOSFET的研究进展

氢等离子体处理后的金刚石表面具有导电性,室温下二维空穴气(Two-dimensional hole gas,2DHG)面密度可达1013 cm-2,因此利用氢终端金刚石制备的场效应晶体管成为研究重点。本文基于金刚石优异的物理性质,介绍了两种氢终端金刚石2DHG的形成机理,以耗尽型氢终端金刚石MOSFET为例提出稳定2DHG及提高器件性能的方法,总结增强型氢终端金刚石MOSFET的三种实现方法,并综述氢终端金刚石功率器件研究现状、面临的问题以及对未来发展的展望。

重离子源类别对SiC MOSFET单粒子效应的影响

SiC金属−氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为第三代航天器用半导体器件,在应用前须经过抗单粒子效应试验评估。文章探究重离子加速器恒定式和脉冲式束流源这两种不同类别的辐照源对SiC MOSFET单粒子效应的影响。试验结果表明两种束流源对SiC MOSFET漏电退化影响不同。采用TCAD对SiC MOSFET单粒子效应进行仿真的结果显示,当2个离子在相差100 ps的间隔时间内轰击器件时,离子间会发生相互作用,使得电场增强,对器件的栅氧化层造成损伤。尽管这种相互作用对器件发生单粒子烧毁的阈值电压无显著影响,但漏电退化现象有明显差异。研究结果可为SiC MOSFET的单粒子效应试验提供参考。

空间辐射环境下SiC功率MOSFET栅氧长期可靠性研究

利用等效1 MeV中子和γ射线对1200 V SiC功率MOSFET进行辐射,研究了电离损伤和位移损伤对器件的影响,并分析了辐射后器件栅氧长期可靠性。结果表明:中子辐射后器件导通电阻发生明显退化,与辐射引入近界面缺陷降低载流子寿命和载流子迁移率有关。时间依赖的介质击穿(TDDB)结果表明,栅泄漏电流呈现先增加后降低趋势,与空穴捕获和电子捕获效应有关。中子辐射后栅漏电演化形式未改变,但氧化层击穿时间增加,这是中子辐射缺陷增加了Fowler-Nordheim(FN)隧穿势垒的缘故。总剂量辐射在器件氧化层内引入陷阱电荷,使得器件阈值电压负向漂移。随后的TDDB测试表明,与中子辐射一致,总剂量辐射未改变栅漏电演化形式,但氧化层击穿时间提前。这是总剂量辐射在氧化层内引入额外空穴陷阱和中性电子陷阱的缘故。

N型MOSFET器件总剂量效应通用测试系统设计

抗辐照电机驱动器研发需要准确获取电桥电路金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)器件的总剂量效应失效阈值,电流-电压、电容-电压等离线测试方法,无法真实反映器件开关性能随累积剂量增加的连续变化过程。因此,针对MOSFET器件总剂量效应的在线测试需求,设计了基于高速信号采集及存储的通用化测试系统,具备被测样品驱动、高频信号采集、高速数据存储、数据模块管理等功能。利用典型商用MOSFET器件开展了总剂量效应测试,结果显示,当吸收剂量达598.08±41.54 Gy(Si)时,样品采集方波波形开始出现异常,低电平电压升高至0.82 V,高电平电压始终正常;随着累积剂量的增大,低电平电压持续性升高至1.08 V,并进一步升高至1.24 V,但器件开关功能保持正常;当累积剂量达1775.41±219.68 Gy(Si)时,采集波形跳变为2.93 V的直线,无方波信号输出,经判断MOSFET开关功能完全受损。

基于电流检测的SiC MOSFET并联均流控制策略

【目的】由第一代和第二代半导体材料构成的功率器件,各方面性能都已经达到自身极限,在更为复杂的电路拓扑中难以应用。第三代新型半导体材料碳化硅(SiC)逐步成为研究焦点,相应的碳化硅器件也成为研究前沿。相比于传统硅(Si)基器件,碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)以其更为优异的特性在高压、高频和高功率密度领域广泛应用。受到载流能力限制,往往需要多个器件并联使用。不成熟的制作工艺和不对称的电路布局,会导致器件自身参数和外部电路参数存在差异,产生不平衡电流问题。针对该问题,本文提出一种均流控制策略。【方法】本文首先分析和总结了并联均流影响因素,确定了各个参数的影响程度。并以器件自身开通和关断特性为基础,通过理论公式推导,总结了电流变化规律。其次,设计了对应的电流检测电路,准确获取电流差异情况。最后,提出了一种调节驱动电阻的均流控制策略,通过调节多级驱动电阻,逐步调节不平衡电流。【结果】仿真结果验证了所提控制策略的有效性,电流不平衡度显著减小。【结论】结果表明,设置合理的驱动电阻,所提出的控制策略能有效实现双管并联均流。

SiC MOSFET改进关断瞬态模型研究

传统碳化硅(silicon carbide,Si C)金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor,MOSFET)关断瞬态模型忽略了在小负载电流或小驱动电阻下Si CMOSFET的沟道关断先于对管Si C肖特基势垒二极管导通的特殊关断模式,导致该工况下传统关断模型不适用。为解决该问题,该文在传统模型的基础上,加入了对特殊关断模式机理的详细分析,完善了SiCMOSFET的关断瞬态模型。所提模型采用时间分段、机理解耦以及参数解耦的求解方法,取消了模型的迭代,提高了模型的求解速度。仿真计算结果与实验测量结果对比表明,所提改进模型可以准确体现Si CMOSFET在不同关断模式下的瞬态波形,验证了改进模型的准确性、有效性及适用性。

功率MOSFET抗单粒子加固技术研究

针对功率MOSFET的单粒子效应(SEE)开展了工艺加固技术研究,在单粒子烧毁(SEB)加固方面采用优化的体区掺杂工艺,有效降低了寄生双极晶体管(BJT)增益,抑制了单粒子辐照下的电流正反馈机制。在单粒子栅穿(SEGR)加固方面,通过形成缓变掺杂的外延缓冲层来降低纵向电场梯度,减弱了非平衡载流子在栅敏感区的累积,并开发了台阶栅介质结构提升栅敏感区的临界场强。实验结果表明,经过加固的功率MOSFET在满额漏源工作电压和15 V栅源负偏电压的偏置条件下,单粒子烧毁和栅穿LET值大于75 MeV·cm^(2)/mg。在相同辐照条件下,加固器件的栅源负偏电压达到15~17 V,较加固前的7~10 V有显著提升。