电子分析SiC功率器件的可靠性及应用

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2022-03-17 08:40:50 0

SiC作为第三代半导体材料，性能各方面都要优于Si基材料，与传统基于Si半导体材料的功率器件相比，新兴SiC功率器件具有开关速度快、阻断电压高和耐高温工作能力强等优点，更能满足未来电力电子技术的发展要求。
上海瞻芯电子经过三年的深度研发和极力攻关，成为中国*家掌握6英寸SiC MOSFET和SBD工艺，以及 SiC MOSFET驱动芯片的公司。本文就瞻芯电子SiC功率器件的可靠性及应用进行说明，让用户在使用前放心、使用中省心，从而做出更好的产品。
1. 上海瞻芯电子的SiC MOSFET是否有正负压应力极限的数据？
瞻芯电子的SiC MOSFET栅极电压规范（+20V/-5V）是严格根据JEDEC来做的认证，保证产品在室温下工作寿命不小于10年。对于超出栅极电压规范的应用情况，主要有以下两个方面的考量。
*，栅极本身的寿命模型主要由SiO2的TDDB（Time Dependent Dielectric Breakdown 时间依赖的介质击穿）模型来确定，已经有大量的数据表明SiC上生长的SiO2介质层的质量跟Si上生长的SiO2是一样优良的，所以从TDDB的角度来看，20V的栅介质所能承受的更高电压以及在该电压下的寿命模型跟Si MOSFET和IGBT是一致的；瞻芯电子正在用瞻芯自己的SiC MOSFET建立SiO2栅介质工艺和器件的寿命模型。
第二，SiC MOSFET跟Si MOS产品（MOSFET和IGBT）最大的差别和挑战就在于PBTI（Positive Bias Temperature Instability正偏压温度不稳定性）和NBTI（Negative Bias Temperature Instability负偏压温度不稳定性），加正偏压后器件Vth会增加，加负偏压后器件Vth会减小；在JEDEC认证条件下，在栅极电压规范内工作，器件的寿命是可以得到保证的；对于超出栅压规范的应用寿命模型，瞻芯电子正在搭建设备并且做详细规划和研究；总体说来，只要正栅压不超过25V，负栅压不低于-10V，DutyCycle比较小的脉冲不会对器件造成性能的不可恢复性损伤，具体的定量关系和寿命模型会在*轮研究结束时给出。
2. 上海瞻芯电子如何解决SiC MOSFET应用中驱动负压的建立？这种方式是否可靠？
瞻芯电子开发了工业界*采用8引脚封装，集成负压驱动的35V/4A驱动器IVCR1401D/IVCR1401DP. 在驱动器启动后，NEG输出被拉至GND，内部的电流源快速为负压电容充电，负压建立后，NEG引脚被释放，内部的负压调节器可将负压调节至-3.5V以正常运行，之后，栅极驱动信号NEG在（VCC-3.5V）和-3.5之间进行切换，如下图所示为负压电容的负压建立过程，1uF电容充电大约需要28us。应使用超过100倍Cg电容的X7R电容，来减小负压电容上的纹波，使负压可靠稳定的建立运行并进行驱动。在我司的老化测试系统电路已经使用该芯片进行过验证，在1000V/20A/125℃的运行条件下驱动SiC MOSFET，连续运行1000h后，仍然能够稳定可靠的进行驱动。
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图 1 3. 上海瞻芯电子如何解决SiC MOSFET 应用中驱动的负压尖峰问题？负压尖峰产生机制是怎样的？有什么应对方法？
SiC MOSFET相比于传统的Si功率器件具有更快的开关速度，然而这种快速的暂态过程会使SiC MOSFET的开关性能对回路的寄生参数更加敏感，尤其体现在驱动波形上。如下图所示为米勒效应产生的电压尖峰。在SiC MOSFET的半桥应用中，下管保持关断状态，上管关断时，会产生较大的dv/dt，由于功率回路和驱动回路中的寄生电感，会产生一个较大的米勒电流，该电流会在驱动电阻RG上产生一个压降，从而导致在VGS波形上出现一个负尖峰；同理，当上管导通时，也会产生较大的dv/dt，由于回路中存在的寄生电感，也会产生一个较大的米勒电流，该电流会在驱动电阻RG上产生一个压降，从而导致在VGS波形上出现一个正尖峰。 cf7002ef78a88450b23304f9e14760c2

图 2
为了减少驱动的负压尖峰，有以下几个方面的建议：
1）在驱动电阻RG上并联一个back-to-back MOS（推荐型号：QS5K2TR），来降低米勒效应在RG上产生的压降，从而减小米勒尖峰电压，如下图中的Q1、Q2；
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图 3 2）将驱动芯片尽可能靠近SiC MOSFET的栅极，尽可能减小驱动回路中的寄生电感； 3）在Layout上尽量减小功率回路的面积，尽可能减小功率回路和驱动回路中的共源极电感； 4）在条件允许的情况下，使用TO247-4封装的SiC MOSFET，尽可能采用Kelvin驱动以减少器件引脚所带来的寄生电感。
4. 上海瞻芯电子如何解决SiC MOSFET应用中的开关震荡问题？
SiC MOSFET振荡问题最关键的是首先要解决驱动回路振荡问题，防止因为驱动信号振荡而导致的振荡。为了解决驱动回路振荡，需要将驱动芯片尽可能靠近SiC MOSFET的栅极，尽可能减小寄生电感，减少振荡。下面两张图，上图为驱动芯片离SiCMOSFET比较远的测试波形，下图为离的比较近的测试波形。两图中天蓝色波形为Vgs波形，黄色为Vds波形。左图中米勒尖峰高达19.2V，右图的米勒尖峰只有4.6V，改善这么大的主要原因就是驱动IC离SiC MOSFET比较近。
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图 4
下面再说明一下SiC MOSFET的Layout的一些注意点，*的Layout有助于减小振荡。首先驱动IC尽量离SiC MOSFET越近越好，以保证驱动回路面积越小越好。其次，高频振荡是由PCB 和MOSFET的杂散电感杂散电容（主要是Coss）之间的振荡引起。如下图中，红色的虚线是功率回路的面积，绿色的虚线是驱动回路面积。这些面积越小则SiC MOSFET开关时的振荡越小。
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图 5 5. SiC MOSFET驱动与Si IGBT驱动异同？SiC MOSFET能否沿用IGBT插件驱动板方式驱动？
不能沿用。因为采用驱动板的方式，驱动回路寄生电感比较大，从而需要更大的驱动电阻来阻尼，进而导致开关速度变慢，损耗增大。如果不用更大的驱动电阻来阻尼，那么Vgs波形会导致比较大的振荡，进而导致Vds振荡，从而增加开关损耗。另，寄生电感比较大本身就增加了驱动回路阻抗，驱动电路的抗米勒能力减弱，导致开关速度变慢，损耗也增大。
6. SiC MOSFET并联中需要注意哪些事项？
要保证每个SiC MOSFET的驱动回路和主功率回路尽量对称，要求驱动芯片输出到每个SiC MOSFET的栅极距离全部一样，每个SiC MOSFET需要单独的Rg来增加一致性，如果并联的MOSFET共用一个驱动电阻将会导致阈值电压最小的那个MOSFET最先开通，同时会将其他的MOSFET的Vgs钳位在该阈值电压下，从而导致只是阈值电压最小的MOSFET开通，其余所有的管子全部未开通。关断过程也是如此，阈值电压最高的那个MOSFET先关闭，同时将电压钳位在该阈值电压下，直到该管完成关断过程。由此可见，使用一个驱动电阻来驱动所有的MOSFET会造成比较大的开关瞬间的动态不均流。为此需要为每个MOSFET配置单独的Rg，从而使得每个MOSFET的Vgs解耦，增强动态均流。静态的均流特性主要靠MOSFET本身的参数一致性来实现，需要仔细挑选参数一致的MOSFET来做直接并联。

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图 6
8. SiC MOSFET TO247-4比TO247-3的寄生电感改善多少？有没有具体参数？
根据CREE公开的数据，TO247-4封装的开关损耗只有TO247-3封装的开关损耗的30%(600V/40A)。由此可见TO247-4封装优势非常明显。
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图 7
TO247-3封装内部的内部公共Source电感会减缓MOSFET开通和关断的速度，从而增加了开关损耗，而TO247-4因为有单独的一根Source引线用于驱动，从而旁路了内部公共Source电感，避免了内部公共Source电感对开关过程的影响，从而达到减小开关损耗的目的。首先看下开通过程，典型的双脉冲实验中通过开关上管来实现，我们主要聚焦上管Vgs回路。当上管开通时，Q1的Id是增加的，那么L_SL感应出来的电压是上正下负，其电压和外部所加的驱动电压(正电压)极性相同，导致内部MOSFET-Die上的Vgs电压减小，从而减缓了MOSFET开通过程。
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图 8
下面再看上管关断过程，Q1关断，导致Id减小，L_SL感应出来的电压是上负下正，该电压和外部驱动电压(负电压或零电压)极性相反，会减小实际内部MOSFET-Die上的Vgs在关断过程的电压，如果L_SL上的电压足够大，甚至能造成内部MOSFET-Die上的电压从负压变为正压，导致误开通！所以L_SL会导致关断过程减慢，从而增加关断损耗。
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图 9
下图使用的是TO247-4封装，因为有单独的一根Kelvin-Source引线，从而使得L_SL上的感应电压无法影响驱动回路，从而增加了开关速度，减小开关损耗。
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图 10

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