英飞凌率先提出工作栅极电压区域的建议

过去几年，实际应用条件下的阈值电压漂移（VGS（th））一直是SiC的关注重点。

英飞凌率先发现了动态工作引起的长期应力下VGS（th）的漂移现象，并提出了工作栅极电压区域的建议，旨在最大限度地减少使用寿命内的漂移。

经过不断研究和持续优化，现在，全新推出的CoolSiC™ MOSFET M1H在VGS（th）稳定性方面有了显著改善，几乎所有情况下的漂移效应影响，都可以忽略不计。

现象描述

VGS（th）漂移现象通常是通过高温栅极偏置应力测试（DC-HTGS）来进行描述的，该测试遵循JEDEC等标准定义的测试准则进行。

近期的研究结果表明，与相应的静态栅极应力测试（DC-HTGS）相比，包括V_（GS（off））《0V在内的正负电源驱动，交流AC栅极应力引起的阈值电压漂移更高，这一发现为SiC MOSFET器件的可靠性带来了新视角

图1显示了交流（AC）和直流（DC）应力条件下的不同影响。VGS（th） （ΔVth）的数据变化是使用数据表［1］中的最大条件得出的。

图中可以看到两个不同的斜率，第一个对应的是典型的类似直流DC的漂移行为（“直流拟合”）；第二个更大的斜率对应的是正负电源的交流AC应力效应（“交流拟合”），也称栅极开关不稳定性（GSI）。

图1：连续栅极开关应力期间的漂移：

VGS，（on）=20V;VGS（off）=−10V;

Tvj，max=150°C and f=500kHz.［1］

我们的结论是：开关周次数超过10⁸的应力条件下，交流漂移是造成应力的主要原因；开关周次数较少时，直流漂移是造成应力的主要原因。

数据显示，开关应力会导致VGS（th）随时间缓慢增加。由于阈值电压VGS（th）增加，可以观察到沟道电阻（Rch）的增加。这种现象由等式（1）描述，式中，L是沟道长度，W是沟道宽度，μn是电子迁移率，Cox是栅极氧化层电容，VGS（on）是导通状态栅极电压，VGS（th）是器件的阈值电压［1］。

总RDS（on）是由各电阻的总和决定的，即沟道电阻（Rch）、结型场效应晶体管电阻（RJFET）、漂移区的外延层电阻（Repi）和高掺杂SiC衬底的电阻（RSub）。等式（2）描述了总RDS（on）的整个组成。

因此，VGS（th）的增加会导致沟道电阻略有提高，从而造成RDS（on）提高，以及久而久之产生的导通损耗。

栅极开关应力

为了确保和预测我们的CoolSiC™ MOSFET在典型开关工作期间电气参数的长期稳定性，我们开发并采用了一种新的应力测试：栅极开关应力测试（GSS）。该测试可以让您直接确定电气参数漂移，这些漂移通常在正负驱动电压模式下运行（正V（GS，on）：导通；负VGS（OFF）：关断）。该测试可以让开发人员量化上述新的失效机制，因此，是鉴定SiC MOSFET的必要条件。

GSS测试涵盖了所有重要的漂移现象，包括在器件正常工作期间发生的漂移现象。除了缺失的负载电流（它本身不会改变我们所观察到的漂移行为）［3］，我们通过保持与典型应用条件相似的栅极开关特性（例如，电压斜率），尽可能地模拟应用（参见图2）［1］。为了涵盖在实际SiC MOSFET应用中非常常见的栅极信号过冲和下冲的潜在影响，我们通过在数据表所允许的最大栅极电压和最大静态结温（Tvj，op）下施加应力，来实现最坏情况。

图2：频率f=500kHz时，

典型的GSS栅源应力信号。［1］

在最坏情况下进行测试，可以让客户确信自己能够在整个规格范围内使用该器件，而不会超过漂移极限。因此，这种方法保证了器件的出色可靠性，同时也便于安全裕度的计算。

除了VGS（th），栅极漏电流IGSS等其他参数也得到了测量，并在被测硬件上保持一致［1］。

最坏情况的寿命终止漂移评估

及其对应用的影响

在开发逆变器的过程中，一大任务就是预测设备的使用寿命。因此，必须提供可靠的模型和信息。在各种工作条件下，进行了大量的测试后，我们就能开发出一个预测性的半经验性模型，该模型描述了阈值电压随任务曲线参数的变化，例如：应力时间（tS）、栅极偏置低电平（VGS（off））、栅极偏置高电平（VGS（on）），开关频率（fsw）和工作温度（T）（ΔVGS（th） （tS，VGS（off），VGS（on），fsw，T））［3］。

基于该模型，我们建立了一种评估阈值电压漂移的方法，使用最坏情况寿命终止曲线（EoAP）来计算相对R（DS（on））漂移。在应用中，以任意频率运行一定时间，我们可以计算出至EoAP之前的开关周期总数（NCycle）。然后，使用NCycle读出相对RDS（on）漂移。

周期数取决于开关频率和工作时间。典型的硬开关工业应用（例如，太阳能组串逆变器）使用16-50 kHz的开关频率。使用谐振拓扑的逆变器的开关速度通常超过100kHz。这些应用的目标寿命通常在10-20年，而实际工作时间通常在50%-100%。

以下示例提供了一个样品评估：

目标寿命［年］：20

实际工作时间［%］：50%=》10年

实际工作时间［s］：315，360，000s（10年）

开关频率［kHz］：48

周期持续时间［s］：1/开关频率=0.0000208

寿命终止时的周次数=~1.52E+13

导通电压为18V时，预计25°C时的RDS（on）的相对变化小于6%，175°C时小于3%，见图3（图3中的绿点）。

图3：VGS（on）=18V、Tvj，op=25°C、125°C和175°C ［2］时的相对RDS（on）变化

图4示例基于最近推出的EasyPACK™ FS55MR12W1M1H_B11（DC-AC逆变器中的三相逆变桥配置），说明了RDS（on）预测变化的影响［4］。这个例子是在损耗分布中，传导损耗（Pcon）占比很大的应用。Tvj，op从最初的148°C到150°C的最坏情况EoAP仅上升2K。结果证明，哪怕是使用了20年后，RDS（on）的轻微变化导致的Tvj，op增加也可以忽略不计。

图4.最坏情况EoL评估：Vdc：800V，Irms：18A，fout：50Hz，fsw：50kHz，cos（φ）：1，Th=80°C。

图中文字：

Power loss：功率损耗

Initial point：初始点

Worst-case EoAP：最坏情况EoAP

这种方法意味着，最大漂移应当是在所描述的最坏情况下出现的。借助全新的M1H芯片，客户将能从数据表的规格范围中，选择最适用于其应用的参数。栅极信号中的寄生过冲和下冲不会影响漂移，无需从应用的角度考虑。因此，可以节省时间和精力。

请注意：在控制良好的栅极偏置电平下运行的应用，远低于数据表的最大限制，例如，+18V/-3V，在相同的开关周期数下，RDS（on）的变化幅度甚至更小。

结论

我们通过在各种开关条件下进行长期的测试，研究了在实际应用条件下的阈值电压特性。我们开发并采用了一种应力测试程序，来确定在现实的应用开关条件下，最坏情况EoAP参数漂移，为我们的客户提供了可靠的预测模型。

除了其他关键的改进外，最近推出的1200V CoolSiC™ MOSFET，即M1H，还显示出了出色的稳定性，并降低了漂移现象的影响。

审核编辑：彭静