15 kV/10 A SiC功率MOSFET器件设计及制备

报道了在150μm厚、掺杂浓度5.0×10^(14)cm^(-3)的外延层上制备15 kV/10 A超高压SiC功率MOSFET器件的研究结果。对器件原胞结构开展了仿真优化,基于材料结构、JFET区宽度和JFET区注入掺杂等条件优化,有效地提升了器件的导通能力,器件比导通电阻为204 mΩ·cm^(2),击穿电压大于15.7 kV,在漏极电压15 kV时,器件漏电流为10μA,漏电流密度为12μA·cm^(-2)。在工作电压1.7 kV、导通电流10 A条件下,开通时间和关断时间分别为140 ns和84 ns。

电子辐照对SiC功率MOSFET器件动态特性的影响机理

针对SiC功率场效应晶体管在太空、核工业等高能粒子辐照环境下应用时的老化失效问题,以1200 V SiC MOSFET器件为对象,研究了电子辐照对SiC MOSFET器件动态特性影响及机理。在10 MeV电子束下对SiC MOSFET器件进行200 kGy剂量的辐照;然后,采用双脉冲测试电路对SiC MOSFET器件进行开关测试,并提取开关速度以及开关瞬态能量损耗等参数;接着对器件进行静态特性测试得到器件的阈值电压、栅极电阻、寄生电容等参数;最后,对比辐照与未辐照器件动态和静态特性参数变化分析电子辐照对SiC MOSFET器件动态特性影响机理。分析结果表明:在漏极电压800 V、漏极电流15 A、栅极外接电阻200Ω的测试条件下,辐照后器件开启延迟时间减小11.6 ns,开启瞬态能量损耗减小0.18μJ,关断延迟时间增大48.4 ns,关断瞬态能量损耗增大0.11μJ。结合器件静态特性参数分析发现:辐照后氧化层中正固定电荷增加7.14×10^(11)cm^(-2),器件阈值电压减小1.5 V;电子辐照在氧化层中电离产生电子空穴对,氧化层陷阱捕获空穴形成带正电的固定电荷,使得器件阈值电压减小,这是导致器件在电子辐照后开启速度变快,关断速度变慢的主要原因。该研究结果可为SiC功率器件在辐照环境中的应用以及制造厂商提高SiC MOSFET在辐照环境中的可靠性提供一定的参考。

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)。

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。

考虑阈值电压漂移的SiC MOSFET功率循环寿命修正技术

在SiC MOSFET的功率循环测试(PCT)中,饱和压降主要表征键合线的老化状态,其值由导通电阻决定。SiC MOSFET的阈值电压漂移会在导通电阻中引入非键合线老化导致的芯片电阻增量,进而影响寿命判断。为了准确判定键合线失效,设计和搭建阈值电压漂移在线监测平台,并结合实测阈值电压漂移数据解耦出芯片电阻增量,进而对实测饱和压降进行补偿,实现对SiC MOSFET功率循环寿命的修正。结果表明,同一器件寿命修正前后的结果基本一致,阈值电压漂移主要影响PCT前期的饱和压降,对最终寿命判定结果没有影响。该研究成果可为SiC MOSFET封装可靠性测试提供参考。

基于寄生电感优化的分立式SiC MOSFET器件压接封装方法研究

现有沿用传统Si器件TO-247-3封装的分立式SiC MOSFET器件受限于键合线和平面换流回路,封装寄生电感偏大,增大器件高频工况下的开关损耗。对此,该文提出一种去键合线、具有垂直换流回路的低寄生电感分立式SiC MOSFET器件压接封装方法。首先,基于封装结构,评估现有TO-247-3分立式SiC MOSFET器件封装寄生电感的分布特性;其次,针对小尺寸SiC MOSFET芯片,设计具有U型栅极顶针和垂直换流回路的分立式压接封装结构,并利用磁场相消原理进一步降低功率回路寄生电感;再次,利用Pspice软件对SiC MOSFET器件开关行为建模,对比分析分立式压接封装与TO封装下SiC MOSFET器件的开关特性。最后,搭建电感钳位双脉冲测试平台进行实验验证。仿真和实验结果表明,在相同电流等级下,采用分立式压接封装结构的SiC MOSFET器件具有更低的封装磁场分布和更低的寄生电感,可以显著提升器件开关速度并降低开关损耗。

基于等效励磁电感的SiC串联器件型中压双有源桥变换器的软开关技术

基于SiC串联器件的双有源桥变换器因具有开关损耗小、功率密度高、能量控制简单等优势,有望成为中压变换场景中实现高频隔离的优选方案。为保证SiC串联器件的可靠均压,各器件上并联大容值缓冲电容,然而该设计使变换器在传输功率较低时难以实现零电压开通,严重影响变换器的整体效率和串联器件的可靠运行。该文通过构建SiC串联器件型中压双有源桥变换器多模态运行模型并深入分析其运行特性,提出一种基于等效励磁电感的无源软开关技术。所提技术可通过优化外接传输电感位置的方式实现中压侧等效励磁电感参数调节,从而在无额外控制前提下实现SiC串联器件的软开关范围扩展。最后,设计了4 kV/1 kV实验样机,实现了100 kW下运行。实验结果显示,所提出的软开关技术能显著地扩展变换器中SiC串联器件的软开关范围,在保证SiC串联器件均压稳定性的同时能够大幅降低变换器在轻载运行时的功耗。

1200V沟槽型SiC MOSEET器件研制

碳作为宽禁带半导体材料的典型代表,碳化硅(SiC)功率器件具有高压,高频、高温,大容量等独特优势,在新能源汽车、光伏逆变、智能电网,雷达通信等领域有着乐观的应用前景。主流SiC MOSFET器件包括平面型和沟槽型,前者受限于较低的沟道迁移率和较大的元胞尺寸,难以充分发挥SiC器件的材料优势,后者将导电沟道由横向改为纵向,既明显改善了沟道迁移率,又大幅提升了沟道密度,使得器件导通电阻显著降低,代表着SiCMOSFET的未来发展方向。

一种连续函数描述的高精度SiC MOSFET模型

传统SiC MOSFET模型为提高精度,通常采用分段函数对不同工作区进行建模,但这带来了模型收敛性不足的问题,难以应用于高频仿真电路。该文提出一种连续函数描述的、具有高精度和强收敛性的SiC MOSFET数学模型。构建单一连续函数描述SiC MOSFET在线性区和恒流区内的静态特性;提出带有收敛电阻的非线性电容模型,并针对不同寄生电容构造相应的拟合函数进行建模;此外,体二极管的建模考虑了结温和栅源电压的影响。仿真结果与手册实测数据的对比分析表明,静态模型仿真结果的皮尔逊相关系数大于0.99,寄生电容拟合的平均相关系数达到0.994 8,体二极管模型与实际伏安特性高度匹配。在室温(TJ=25℃)和高温(TJ=150℃)两种条件下基于C2M0025120D进行了300 V/30 A双脉冲实验,对比验证了仿真模型与实验结果在开断特性方面具有良好的一致性。最后将模型应用在级联H桥多电平逆变器,验证了其在复杂电路仿真中的收敛性。

基于扩展规格书数据的SiC功率MOSFET建模

本文提出一种实用的SiC功率MOSFET建模方法。所建立的模型可在图形化仿真软件中实现,用于电力电子电路损耗分析。首先,基于器件规格书数据建立器件的静态模型;然后,对SiC功率MOSFET的物理结构、物理特性进行分析,依据分析结果对规格书数据进行扩展,建立模型的各个动态部分,从而构成完整的模型;最后,建立多种商用SiC功率MOSFET模型,并对模型进行仿真和实验验证,验证结果显示模型具有令人满意的精度和适用范围。本文建模方法所用数据仅源自产品规格书,无须通过测量获取规格书之外的其他数据。

Si IGBT和SiC MOSFET分立器件封装可靠性对比

为了明确SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)与Si绝缘栅双极型晶体管(IGBT)寿命差异的原因,在相同结温条件下对上述两种分立器件进行功率循环试验。试验结果表明,SiC MOSFET的寿命大于Si IGBT的寿命。若将两组试验负载电流等效一致,则SiC MOSFET的寿命约为Si IGBT的1/4。为了揭示寿命差异的根本原因,即失效机理的探究,建立了两种器件电-热-力多物理场有限元模型并在功率循环试验条件下进行仿真,结果表明造成寿命差异的原因是Si、SiC材料与铝材料之间的热膨胀系数差异不同,导致器件在功率循环中受到循环热应力时产生的塑性应变不同。研究结果为提高SiC MOSFET的寿命提供了理论参考。

SiC MOSFET功率器件标准研究

本文结合SiC MOSFET国际标准进展,分析了阈值电压漂移、偏压温度不稳定性、体二极管退化测试标准的制定难点;同时,根据国内外产业发展现状、我国技术标准进展,分析了测试设备精度、新型封装、动态可靠性等关键问题与标准制定面临的挑战,并提出了首先定位团体标准制定的工作机制,以期以技术标准的研制支撑产业的市场化发展。

基于分立器件并联的高功率密度碳化硅电机控制器研究

新能源车用的电机控制器通常通过大功率模块来完成,但大功率模块一般成本比较高,体积比较大,资源也有限。该文基于SiC MOSFET分立器件并联设计了一种高功率密度电机控制器,为了从电气和散热角度最大程度地提升材料和空间利用率,实现高功率密度以及分立器件的良好动静态均流,设计了一种新型的电子系统结构,并提出了一种能动态平衡并联MOSFET电流的高抗扰驱动电路以及可实现低寄生电感、大电流以及高散热的适合分立器件并联应用的新型印制电路板(PCB)叠层母排设计方法。提出的电路及方法既有利于实现并联器件的动静态均流,又可以减小寄生电感造成的影响,还可以有效抑制负向串扰电压。对基于上述研究成果开发出的碳化硅电机控制器,经过双脉冲及功率实验,结果表明,设计的分立器件并联控制器并联均流效果好、散热好、功率密度高,在风冷的条件下,实现了效率最高为99.5%,功率密度为60 kW/L,可应用到新能源整车系统中。

300 MeV质子重离子加速器及电子器件单粒子效应试验研究

300 MeV质子重离子加速器主要用于模拟空间环境中高能粒子辐照,探索高能粒子与材料、器件以及生命体的相互作用机理。该加速器主要由离子源、直线加速器、注入线、同步加速器、引出线和3个实验终端组成。自2022年11月验收以来,该加速器已完成质子束、氦束、碳束、氪束、钽束、铋束、铀束等离子束的调试,相继开展了材料、电子器件、农作物种子、微生物、小鼠等样品的辐照试验,成为基础研究的实验平台。在基于该加速器的辐照试验平台中,开展了国产SiC功率MOSFET器件单粒子效应研究。300 MeV质子重离子加速器产生能量为1864.3 MeV的^(181)Ta^(31+)离子束,在经过钛窗和空气中传输后,达到SiC表面时LET值为80.7 MeV·cm^(2)·mg^(-1)。通过在SiC功率MOSFET器件漏极上施加不同偏置电压,对栅极和漏极泄漏电流检测分析,获取了在不同偏置条件下SiC MOSFET器件的漏电退化行为。

4H-SiC和6H-SiC功率VDMOSFET的单粒子烧毁效应

对基于4H-SiC和6H-SiC的垂直双扩散MOSFET(VDMOSFET)的单粒子烧毁(SEB)效应进行了对比研究。建立了器件的二维仿真结构,对不同SiC材料构成的器件物理模型及其材料参数进行了修正。利用Silvaco TCAD软件进行了二维器件的特性仿真,得到了两器件SEB效应发生前后的漏极电流曲线和电场分布图。研究结果表明,4H-SiC和6H-SiC VDMOSFET的SEB阈值电压分别为335 V和270 V,发生SEB效应时的最大电场强度分别为2.5 MV/cm和2.2 MV/cm,4H-SiC材料在抗SEB效应方面比6H-SiC材料更有优势。所得结果可为抗辐射功率器件的设计及应用提供参考。

新型宽带SiC功率器件在电力电子中的应用

新型宽带SiC功率器件由于其突出的性能优势在电力电子领域得到了广泛应用。首先介绍了SiC功率器件的发展现状,其次阐述了其性能特点,最后给出了SiC功率器件目前在新能源、民用输配电、航空航天等场合的应用情况,指出了SiC器件在电力电子领域的应用前景。

星用功率MOSFET器件单粒子烧毁试验研究

针对国产功率MOSFET器件JTMCS081和JTMCS062,利用实验室的MOSFET器件单粒子烧毁试验测试系统,在252Cf模拟系统上开展了单粒子烧毁评估试验研究。通过试验研究获得了被试器件单粒子烧毁的电压阈值,为被测器件在卫星型号的使用提供技术参考依据。

星用功率MOSFET器件总剂量效应试验研究

本文针对星用功率MOSFET器件JANTXV 2N7261和SR7262V,进行了钴-60γ射线辐照试验研究。在γ射线辐照过程中,采用JT?1型晶体管特性图示仪和计算机控制的摄像机,实时监测器件电参数随辐照剂量变化的特征,通过试验研究获得了被试器件阈值电压、漏电流和击穿电压随总剂量变化的特征照片和曲线,得出被试器件的抗总剂量水平。

基于SiC功率器件的单相APF开关损耗分析及应用技术研究

提出一种应用于单相有源滤波器(active power filter,APF)的SiC功率器件的开关损耗模型。该模型考虑了封装和印制电路板(printed circuit board,PCB)的寄生参数与器件结电容的非线性。详细阐述四种单相APF工作状态下的建模原理,并给出了各工作状态下各时间段的开关过程分析与损耗计算方程。基于影响APF谐波补偿性能的关键因素的分析,结合APF的工作特点,提出SiC器件高开关频率兼容驱动方式与封装及电路布局优化方案。搭建基于单相APF的SiC功率器件测试实验样机,在不同电压点和电流点下进行测试,并将测试结果与估算结果进行比较。比较结果高度吻合,功率损耗误差在10%以内,验证了提出的开关损耗模型的准确性和有效性。

基于结构函数的功率MOSFET器件热阻研究

热阻是衡量功率MOSFET器件散热能力的重要参数,对其准确测试与分析具有重要意义。基于结构函数理论,同一功率MOSFET器件在不同条件下进行两次实验,通过积分结构函数分离点来确定器件热阻。该方法简单准确,可重复性好,实验测试结果为0.5 K/W,与有限元(FE)建模获得的0.44 K/W符合较好。对比两不同批次器件的微分结构函数,其中一种器件微分结构函数发生0.2 K/W偏移,超声波扫描(SAM)发现该器件焊料层存有空洞,该方法可用来判断器件内部工艺的好坏。