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)。

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。

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。

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。

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。

基于栅极限流的SiC MOSFET栅电荷测试方案

SiC MOSFET是一种高性能的电力电子器件,其开通/关断过程中积累/释放的栅电荷Q_(g)对MOSFET的开关速度、功率损耗等参数有重要影响。通常采用在栅极设置恒流源驱动,对时间进行积分的方法来测量Q_(g)。为了降低驱动复杂度,提高测试结果精度和可视性,基于双脉冲测试平台的感性负载回路,改用耗尽型MOSFET限制栅极电流实现恒流充电,对SiC MOSFET进行测试。同时利用反馈电阻将较小的栅极电流信号转换为较大的电压信号。实验结果表明:在误差允许范围(±5%)内该测试方案能较为准确地测得SiC MOSFET的Q_(g),测试结果符合器件规格书曲线。

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。

SiC MOSFET的质子单粒子效应

SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在深空探测领域具有广阔的应用前景,但空间质子引发的单粒子效应(SEE)对航天器稳定运行造成了严重威胁。对平面栅结构与非对称沟槽栅结构的SiC MOSFET进行了能量为70、100与200 MeV的质子辐照实验。实验结果表明,两种SiC MOSFET的单粒子烧毁(SEB)阈值电压均大于额定漏源电压的75%;SEB阈值电压随质子能量升高而降低。对两种器件进行辐照后栅应力测试发现,两种结构的器件由于沟道不同而对栅应力的响应存在差异;不同的质子能量会在栅极引入不同程度的辐射损伤,低能质子更容易在栅氧化层发生碰撞而引入氧化物潜在损伤。该研究可为揭示SiC MOSFET质子SEE机理和评估抗辐射能力提供参考。

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。

碳化硅MOSFET并联电流分配不均衡影响因素与抑制方法综述

碳化硅MOSFET凭借其高压、高温和高频等优异性能逐渐在工业中得到应用,然而碳化硅MOSFET并联电流分配不均衡问题限制了其性能发挥,并增加失效风险。为了充分发挥碳化硅MOSFET的性能优势,本文首先从芯片参数、功率回路参数和驱动回路参数3个方面阐述并联电流分配不均衡影响因素,然后综述了近年来国内外抑制并联不均衡电流的研究成果,对电流不均衡抑制方法从电流均衡种类、扩展难度、集成难度和经济成本四个维度进行了综合比较分析。最后,根据现有研究不足与面临挑战,本文对碳化硅MOSFET并联电流分配不均衡抑制方法进行展望。

基于电场耦合原理的SiC MOSFET开关电压感知探头

功率器件作为电能变换的核心,准确测量其开关电压可以优化器件的开关行为,评估器件的开关损耗,为功率转换系统的设计提供重要指导。以SiC MOSFET为代表的宽禁带半导体器件具有高速开关特性,传统商用电压探头难以同时满足低侵扰、强抗扰、高带宽与小体积的测量要求,因此提出了一种基于电场耦合原理的同轴圆柱型电压探头。通过感应电极包围引出端的结构降低侵入电容,应用屏蔽覆铜、过孔阵列与屏蔽铜管的强抗扰结构实现对环境噪声的抑制。利用有限元仿真指导了探头参数选取的方案,验证了屏蔽层对噪声的抑制能力,详细分析了同轴探头有效降低侵入性的机理。所设计的同轴探头带宽为280 MHz,量程为-750 V~+750 V,侵入电容约为0.92 pF。最后通过双脉冲实验证明,同轴探头可以准确测量ns级的开关时间,满足SiC MOSFET开关电压的测量需求。

基于栅极参考电压的SiC MOSFET栅极氧化物健康状态在线监测方法

栅极氧化物退化是限制SiC MOSFET进一步广泛应用的关键可靠性问题。在线监测能够实时获取栅极氧化物健康状态,是提升SiC MOSFET可靠性的重要手段,因此提出一种基于栅极参考电压的SiC MOSFET栅极氧化物健康状态在线监测方法,并详细介绍了利用栅极参考电压监测栅极氧化物健康状态的基本原理;提出一种栅极参考电压在线提取电路,经脉冲测试验证可以实现在线提取,经老化试验验证可以有效监测栅极氧化物健康状态。所提电路可以集成在栅极驱动中,不会显著增加系统复杂程度。

级联MOSFET均压测试方法研究

文章分析了传统均压测试方法中,隔离高压探头寄生参数对级联MOSFET均压效果的影响。通过改变同一高边MOSFET的DS电压测试探头数量,分析了测试方法引入寄生参数的变化对瞬态均压的干扰程度。基于此提出了一种减法均压测试方法,并对所提出的减法均压测试方法的优化进行了分析与实验验证。实验结果表明该测试方式能精确评估级联MOSFET在稳态以及开通、关断瞬态的均压效果,且不受测试线缆寄生参数的影响。

栅氧老化下SiC MOSFET开通瞬态栅极振荡特性研究

栅氧老化问题已成为制约碳化硅(SiC)金属半导体氧化物场效应管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)可靠性的关键因素,该文尝试利用SiC MOSFET高速开关在变换器中引起的高频开关振荡获取栅氧状态信息,重点研究栅氧老化对开通瞬态栅极高频振荡特性的影响。首先,分析SiC MOSFET栅氧老化机理及其对器件开通时间的影响。然后,建立开通瞬态栅极回路分阶段高频等效电路模型,揭示SiC MOSFET栅极开通振荡电流的形成机理和影响因素。最后,通过33 V高压栅偏加速老化实验进行验证。研究结果表明,随着栅氧老化程度的加深,SiC MOSFET阈值电压会逐渐增加而开通速度变慢,导致栅极开通振荡电流显著减小(约28%)。该文的工作有望为SiC MOSFET栅氧老化在线监测提供一种新的思路。

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。

MOSFET互补传输管导致传输信号失真的因素

互补传输管结构广泛用于各种参与信号处理的电路中,但在信号传输过程中会引入信号失真。为研究影响信号传输失真的因素,对MOSFET的高阶效应进行分析,建立MATLAB模型对每种高阶效应的影响进行研究。研究得到:MOSFET高阶效应导致了互补传输管电路导通电阻的非理想性。互补传输管电路导通电阻的非理想性是导致被传输信号出现失真的主要因素。

基于电-热-结构耦合分析的SiC MOSFET可靠性研究

作为应用前景广阔的功率器件,SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的可靠性分析至关重要。基于结构几何、材料特性和边界条件的建模方法可以显著缩短失效分析周期。考虑器件电阻随温度变化的特性,构建电-热-结构耦合的有限元模型,针对健康状态及不同失效模式进行温度和应力研究。结果表明,功率循环过程中键合线与芯片连接处受到的热应力最大,焊料层与芯片接触面的边缘位置次之;键合线失效对器件寿命影响最大,且焊料层中心空洞产生的应力大于边缘空洞产生的应力。仿真结果可为提升器件可靠性提供重要参考。

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。